JP4804358B2 - 空間光変調装置、光学処理装置、及びカップリングプリズムの使用方法 - Google Patents

Description

本発明は空間光変調装置、光学処理装置、カップリングプリズム、及び、カップリングプリズムの使用方法に関する。

ディスプレイにおいて、ホログラムカラーフィルター付きの反射型空間光変調素子（以下、反射型ＳＬＭという）に対しカップリングプリズムにより入射光を斜めに入射させたり（例えば、特許文献１参照）、裏面側に反射ホログラムが配置された透過型空間光変調素子ＳＬＭ（以下、透過型ＳＬＭという）に対しプリズムにより斜め読み出しを行ったり（例えば、特許文献２参照）、複数の色フィルターからなるカラーホイールに対し反射ミラーにより斜め読み出しを行う（例えば、特許文献３参照）ことが提案されている。ここで、反射型ＳＬＭとは、素子反射面を有し入射光を反射させて用いる空間光変調素子（以下ＳＬＭという）である。一方、透過型ＳＬＭとは、入射光を透過させて用いるＳＬＭである。

しかしながら、特許文献１〜３に記載された装置は、いずれも、ディスプレイであるため、平行光もしくは球面波のように情報を含まない単なる照明光のみならず、収差もしくは情報を含んだ光（回折成分を含む光）等任意の光に対し、位相変調や振幅変調等の任意の処理を行うことはできない。

一方、ＳＬＭを用い、任意の光に対し、任意の位相変調もしくは振幅変調を施すことができる光学処理装置として、例えば、波面補償システム、パターン形成システム、ホログラフィシステム、３Ｄ表示ディスプレイシステム、光情報処理システム等が知られている。

例えば図１に示すパターン形成光学系６００では、レーザ６０２からの出力光は、レンズ６０３とピンホール６０５とからなるスペイシャルフィルタ６０４、及び、コリメートレンズ６０６を介して所望のビーム径の平行光に変換され、読み出し光として反射型ＳＬＭ６０８に斜めに入射する。反射型ＳＬＭ６０８は所定のホログラム画像を表示する。読み出し光は、反射型ＳＬＭ６０８にて位相変調され素子反射面にて斜めに反射されて、反射型ＳＬＭ６０８から出射する。読み出し光はフーリエ変換レンズ６１０にてフーリエ変換されて、所望のパターンを出力面６１２上に形成する（例えば、特許文献４参照）。ここで、反射型ＳＬＭは、透過型ＳＬＭよりも有効開口率が高く光のロスが少ない。

また、図２に示す４ｆ光学系６２０では、入力面６２２と出力面６３０との間に、プリズム６２４、フーリエ変換レンズ６２６、及び、反射型ＳＬＭ６２８が配置されている。入力面６２２を出た読み出し光は、プリズム６２４の斜面によって反射されフーリエ変換レンズ６２６に導かれる。読み出し光は、フーリエ変換レンズ６２６を通過した後、反射型ＳＬＭ６２８に斜めに入射する。読み出し光は、反射型ＳＬＭ６２８で変調され素子反射面にて反射される。その後、読み出し光は、再びフーリエ変換レンズ６２６を通過し、プリズム６２４の反対側の斜面で反射されて、出力面６３０に結像する。このように、一つのフーリエ変換レンズ６２６は、入射側のフーリエ変換と出射側のフーリエ変換との２つの機能を有している（例えば、特許文献４参照）。
特開平１１−１９４３３０号公報（第４−５頁、第１図） 特開２００２−５１７７８１号公報（第１６−１８頁、第５図） 特開２００１−４９３０号公報（第４−６頁、第１図） 特開２０００−１７１８２４号公報（第３−４頁、第３、７図）

しかしながら、図１を参照して説明したパターン形成光学系６００では、光軸が反射型ＳＬＭ６０８で斜めに屈曲している。そのために光学系の設計、組立、調整が難しい。また、パターン形成光学系６００を矩形基板上に構築しようとすると、基板の面積が大きくなり、小型化が難しい。

図２を参照して説明した４ｆ光学系６２０では、入射光と出射光の両方が、フーリエ変換レンズ６２６の周辺部を通ることになり、軸外収差の悪影響が大きくなる。またフーリエ変換レンズ６２６の径が大きくなるため、レンズ設計・製造等が困難である。逆にフーリエ変換レンズ６２６の径を小さくすると、有効ビーム径を小さくせざるを得ない。さらに入射光と出射光とを十分に分離させるためには、フーリエ変換レンズ６２６の焦点距離を長くしなければならない。しかも、入射側と出射側のフーリエ変換レンズの焦点距離を異ならせることができない。

そこで、４ｆ光学系を図３に示すように構成することが考えられる。この４ｆ光学系６４０は、入力面６２２、フーリエ変換レンズ６２６−１、反射型ＳＬＭ６２８、フーリエ変換レンズ６２６−２、及び、出力面６３０を有している。入力面６２２とフーリエ変換レンズ６２６−１との間の距離と、フーリエ変換レンズ６２６−１と反射型ＳＬＭ６２８の間の距離とは、共に、フーリエ変換レンズ６２６−１の焦点距離長さと等しくなっている。また、反射型ＳＬＭ６２８とフーリエ変換レンズ６２６−２との間の距離と、フーリエ変換レンズ６２６−２と出力面６３０の間の距離とは、共に、フーリエ変換レンズ６２６−２の焦点距離長さと等しくなっている。入力面６２２の前側に平行光投光光学系を配置し、入力面に平行光を投射する。４ｆ光学系６４０によれば、図２を参照して説明した４ｆ光学系６２０における上記の問題を解消できる。

しかしながら、入力側の光軸６５０と出力側の光軸６５２とは、垂直でない角度で斜めに交わっている。したがって、光軸６５０がなす直線と光軸６５２が成す直線とを精度よく設定し、これらの直線上に入力側及び出力側の光学デバイスをそれぞれ精度よく配置することは容易ではない。

また、４ｆ光学系６４０を組み立てるための組立基板を作成する際には、光軸６５０，６５２が成す斜めの直線を機械加工で基板上に作成しなければならない。しかしながら、光軸が互いに垂直でないため、特有の冶具が必要になる。

しかも、光学デバイスを組立基板に取り付ける際、光軸に対する平行線と垂直線とを基準とした光学調整ができないため、取り付けが難しい。

また、入力面６２２とフーリエ変換レンズ６２６−１との間の距離（光路長）、フーリエ変換レンズ６２６−１と反射型ＳＬＭ６２８との間の距離（光路長）、反射型ＳＬＭ６２８とフーリエ変換レンズ６２６−２との間の距離（光路長）、及び、フーリエ変換レンズ６２６−２と出力面６３０との間の距離（光路長）の全てを、焦点深度以内の精度で合わせる必要がある。運搬や、振動などによって、いずれかのデバイスが光軸方向に移動した場合、当該デバイスを光軸方向に位置調整する必要が生じる。しかしながら、反射型ＳＬＭ６２８が光軸の屈曲点となっているため、図４のように、反射型ＳＬＭ６２８の位置を、例えば、位置Ｉから位置ＩＩへ変化させると、矢印ｕで示すように、光軸６５０と光軸６５２とが反射型ＳＬＭ６２８上で一致しなくなり、光軸６５０と光軸６５２とのいずれかを、当該光軸に垂直な方向に移動させなければならない。

しかし光軸を当該光軸に垂直な方向に移動させることは、当該光軸上に配置されている全てのデバイスの位置に影響をあたえるため、実質的に不可能である。

以上のように、光軸方向の位置調整であっても、光軸に垂直な面内での位置ずれが発生するため、４ｆ光学系６４０の光軸方向の位置調整は、容易ではない。

また、反射型ＳＬＭ６２８は、２つの光軸６５０、６５２の２等分線に沿って移動させることになる。この二等分線が２つの光軸６５０、６５２と垂直でないため、精度の高い移動を行うことが難しい。しかも、反射型ＳＬＭ６２８の位置精度をこの２等分線に垂直な面内で高く保つ必要があるため、光軸方向の位置調整は大変困難である。

また、図５に示す４ｆ光学系６６０のように、２個の反射型ＳＬＭ６２８（以下、反射型ＳＬＭ６２８−１，６２８−２という）を設けることも考えられる。反射型ＳＬＭ６２８を２個用いるため、光軸の屈曲部が２箇所となり、互いに異なる方向に伸びる３つの光軸６５４、６５０，６５２が生じる。反射型ＳＬＭ６２８−１と反射型ＳＬＭ６２８−２との間、及び、反射型ＳＬＭ６２８−２の後段に、それぞれ、レンズ６２６−１，６２６−２が配置される。なお、反射型ＳＬＭ６２８−１の前段に、レーザ６６２、レンズ６６４、アパーチャー６６６が設けられる。

このように反射型ＳＬＭを２段用いる場合には、斜め反射による問題がさらに大きくなる。すなわち、屈曲点が増えるために、反射型ＳＬＭを１個設ける場合よりも、機械加工と光学調整が難しくなる。光軸６５０は、光軸６５４と光軸６５２とに挟まれているため、光軸６５０に関係する光学デバイス（レンズ６２６−１）の位置調整が、特に困難となる。

本発明は、斯かる実情に鑑み、反射型ＳＬＭを用い、光エネルギーの利用効率が高く、光学系の設計、組立、調整が容易で、光学系の小型化が可能であり、任意の入射光に対して任意の光学処理を施すことができる空間光変調装置、光学処理装置、及びカップリングプリズムの使用方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向にずれた位置に設けられた反射型空間光変調素子と、前記仮想基準直線上に設けられ、前記仮想基準直線に沿って入射してくる入射光を反射して前記反射型空間光変調素子に読みだし光として斜めに入射させるための入力側反射面と、前記仮想基準直線上に設けられ、前記反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を反射して出射光として前記仮想基準直線に沿って出力するための出力側反射面と、を備え、前記反射型空間光変調素子が、前記入力側反射面からの読みだし光を反射するための素子反射面を備え、前記入力側反射面と前記出力側反射面とが、前記仮想基準直線に沿って距離Ｌだけ離間し、前記素子反射面が前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向に距離ｈだけ離間し、前記入力側反射面、前記出力側反射面、及び、前記素子反射面とが、前記仮想基準直線が延びる方向に対して、それぞれ、角度φ１、φ２、φ３だけ傾いており、前記素子反射面が大きさｃを備え、前記入力側反射面が前記仮想基準直線に対して前記反射型空間光変調素子から遠い側の大きさａ１と、前記反射型空間光変調素子に近い側の大きさａ２とを有し、前記出力側反射面が前記仮想基準直線に対して前記反射型空間光変調素子から近い側の大きさｂ１と、前記反射型空間光変調素子に遠い側の大きさｂ２とを有し、前記素子反射面が前記入力側反射面で反射された前記入射光の光軸に対して前記入力側反射面に近い側の大きさｃ１を有し、前記反射型空間光変調素子が、０〜αの範囲の収束角で入射する読みだし光を変調して、その所定の成分を０〜βの範囲の発散角で出射し、前記反射型空間光変調素子へ入射する読み出し光が収束光の場合にはαは正の値をとり発散光の場合にはαは負の値をとり、前記反射型空間光変調素子から出射する読み出し光の前記所定の成分が発散光の場合にはβは正の値をとり収束光の場合にはβは負の値をとり、前記距離Ｌ、ｈ、及び、前記角度φ１、φ２、φ３とが以下の式（１）及び（２）を満足し、前記大きさｃ、ｃ１、ａ１、ａ２、ｂ１、及び、ｂ２が、α及びβに対して、以下の式（３）〜（８）を満足し、前記所定の成分とは１以上ｎ（ｎは０より大きい自然数）以下の回折次数の回折成分であり、α及びβが、前記入射光の波長λ、及び、前記反射型空間光変調素子に表示可能な最小の格子パターンの格子定数ｄに対して、以下の式（９）及び（１０）を満足することを特徴とする空間光変調装置を提供している。

このような構成によると、入力側反射面は、仮想基準直線に沿って入射してくる入射光を反射して反射型空間光変調素子に読みだし光として斜めに入射させる。反射型空間光変調素子の素子反射面が、入力側反射面からの読みだし光を斜めに反射する。出力側反射面が、反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を反射して出射光として出力する。このとき出射光は仮想基準直線にそって出力される。したがって、空間光変調装置の入力側反射面に入射する入射光の主光線と出力側反射面から出射する出射光の主光線とが同一の仮想基準直線上になる。従って、光学系全体をコンパクト化することができ、しかも、光学系の設計、組立、調整が容易になる。さらに、反射型空間光変調素子により任意の入射光に対し任意の光学処理を効率良く施すことができる。また、このような構成によると、大きさｃを備える素子反射面に対して０〜αの範囲の収束角で入射する入射光の全てが入力側反射面によって反射される。入力側反射面で反射された入射光の全てが読みだし光として反射型空間光変調素子の素子反射面によって反射される。素子反射面によって反射され反射型空間光変調素子で変調された読みだし光のうち０〜βの範囲の発散角で出射する成分の全てが、出力側反射面によって反射される。光の利用効率をより高めることが可能となる。しかも、入力側反射面と出力側反射面とが重ならないことが確保される。なお、特に式（４）〜（７）の等号が成立する場合には、発散角βより大きい角度の成分を不要成分として除去することができる。また、このような構成によると、反射型空間光変調素子で回折された変調読みだし光のうち、少なくとも１次以上ｎ次以下の回折光の全てが出力側反射面によって反射されることが確保される。従って、光の利用効率をより高めることが可能となる。なお、特に式（４）〜（７）の等号が成立する場合には、（ｎ＋１）次以上の回折光を不要成分として除去することができる。

上記目的を達成するために、本発明は、仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向にずれた位置に設けられた反射型空間光変調素子と、前記仮想基準直線上に設けられ、前記仮想基準直線に沿って入射してくる入射光を反射して前記反射型空間光変調素子に読みだし光として斜めに入射させるための入力側反射面と、前記仮想基準直線上に設けられ、前記反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を反射して出射光として前記仮想基準直線に沿って出力するための出力側反射面と、を備え、前記反射型空間光変調素子が、前記入力側反射面からの読みだし光を反射するための素子反射面を備え、前記入力側反射面と前記出力側反射面とが、前記仮想基準直線に沿って距離Ｌだけ離間し、前記素子反射面が前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向に距離ｈだけ離間し、前記入力側反射面、前記出力側反射面、及び、前記素子反射面とが、前記仮想基準直線が延びる方向に対して、それぞれ、角度φ１、φ２、φ３だけ傾いており、単一のカップリングプリズムが、入力側透過面と、第１の反射面と、接合透過面と、第２の反射面と、出力側透過面と、を備え、前記入力側透過面は、前記仮想基準直線上に設けられ、前記仮想基準直線に沿って入射してくる入射光を透過させて前記入射光を前記仮想基準直線に沿って内部に導き、前記第１の反射面は、前記仮想基準直線上に設けられ、前記入力側透過面から前記仮想基準直線に沿って内部を伝搬してくる入射光を反射する入力側反射面であり、前記接合透過面は、前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向にずれた位置に設けられ、前記反射型空間光変調素子に接合され、前記第１の反射面で反射され内部を伝搬してくる入射光を透過して前記反射型空間光変調素子に対し読みだし光として斜めに入射させ、かつ、前記反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を透過して内部を伝搬させ、前記第２の反射面は、前記仮想基準直線上に設けられ、前記接合透過面から内部を伝搬してくる読みだし光を反射して出射光として前記仮想基準直線に沿って内部を伝搬させる出力側反射面であり、前記出力側透過面は、前記仮想基準直線上に設けられ、前記第２の反射面から前記仮想基準直線に沿って内部を伝搬してくる出射光を前記仮想基準直線に沿って外部へ出力し、前記カップリングプリズムの屈折率はｍであり、前記素子反射面が大きさｃを備え、前記入力側反射面が前記仮想基準直線に対して前記反射型空間光変調素子から遠い側の大きさａ１と、前記反射型空間光変調素子に近い側の大きさａ２とを有し、前記出力側反射面が前記仮想基準直線に対して前記反射型空間光変調素子から近い側の大きさｂ１と、前記反射型空間光変調素子に遠い側の大きさｂ２とを有し、前記素子反射面が前記入力側反射面で反射された前記入射光の光軸に対して前記入力側反射面に近い側の大きさｃ１を有し、前記反射型空間光変調素子が、０〜αの範囲の収束角で入射する読みだし光を変調して、その所定の成分を０〜βの範囲の発散角で出射し、前記反射型空間光変調素子へ入射する読み出し光が収束光の場合にはαは正の値をとり発散光の場合にはαは負の値をとり、前記反射型空間光変調素子から出射する読み出し光の前記所定の成分が発散光の場合にはβは正の値をとり収束光の場合にはβは負の値をとり、前記距離Ｌ、ｈ、及び、前記角度φ１、φ２、φ３とが以下の式（１）及び（２）を満足し、前記大きさｃ、ｃ１、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２とが、α及びβに対し、以下の式（３´）〜（８´）を満足し、前記所定の成分とは１以上ｎ（ｎは０より大きい自然数）以下の回折次数の回折成分であり、α及びβが、前記入射光の波長λ、及び、前記反射型空間光変調素子に表示可能な最小の格子パターンの格子定数ｄに対して、以下の式（９´）及び（１０´）を満足することを特徴とする空間光変調装置を提供している。

このような構成によると、入力側反射面は、仮想基準直線に沿って入射してくる入射光を反射して反射型空間光変調素子に読みだし光として斜めに入射させる。反射型空間光変調素子の素子反射面が、入力側反射面からの読みだし光を斜めに反射する。出力側反射面が、反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を反射して出射光として出力する。このとき出射光は仮想基準直線にそって出力される。したがって、空間光変調装置の入力側反射面に入射する入射光の主光線と出力側反射面から出射する出射光の主光線とが同一の仮想基準直線上になる。従って、光学系全体をコンパクト化することができ、しかも、光学系の設計、組立、調整が容易になる。さらに、反射型空間光変調素子により任意の入射光に対し任意の光学処理を効率良く施すことができる。また、このような構成によると、入力側透過面は、仮想基準直線に沿って入射してくる入射光を透過させて入射光を仮想基準直線に沿ってカップリングプリズム内部に導く。第１の反射面は、入力側透過面から仮想基準直線に沿って内部を伝搬してくる入射光を反射する。反射型空間光変調素子に接合された接合透過面は、第１の反射面で反射され内部を伝搬してくる入射光を透過して反射型空間光変調素子に対し読みだし光として斜めに入射させ、かつ、反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を透過して内部を伝搬させる。第２の反射面は、接合透過面から内部を伝搬してくる読みだし光を反射して出射光として仮想基準直線に沿って内部を伝搬させる。出力側透過面は、第２の反射面から仮想基準直線に沿って内部を伝搬してくる出射光を仮想基準直線に沿って外部へ出力する。カップリングプリズムを用いることにより、全体の光学系をコンパクト化することができ、また、光学系の設計、組立、調整がさらに容易となる。また、このような構成によると、大きさｃを備える前記素子反射面に対して０〜αの範囲の収束角で入射する入射光の全てが入力側反射面によって反射され、入力側反射面で反射された入射光の全てが読みだし光として反射型空間光変調素子の素子反射面によって反射され、素子反射面によって反射され反射型空間光変調素子で変調された読みだし光のうち０〜βの範囲の発散角で反射型空間光変調素子から出射する成分の全てが、出力側反射面によって反射される。従って、光の全てを素子反射面全体に入射させることを可能とし、光の利用効率をより高めることが可能となる。しかも、入力側反射面と出力側反射面とが重ならないことが確保される。なお、特に式（４´）〜（７´）の等号が成立する場合には、発散角βより大きい角度の成分を不要成分として除去することができる。また、このような構成によると、反射型空間光変調素子で回折された変調読みだし光のうち、少なくとも１次以上ｎ次以下の回折光の全てが出力側反射面によって反射されることが確保される。なお、特に式（４´）〜（７´）の等号が成立する場合には、（ｎ＋１）次以上の回折光を不要成分として除去することができる。

ここで、入力側反射面、出力側反射面をそれぞれ仮想基準直線に対して所定の角度にすれば、光を全反射させることが可能になる。従って、光の利用効率がさらに向上する。入力側反射面および出力側反射面に光の反射率を高めるための表面加工等を施す必要がなくなる。

また、本発明の別の観点では、空間光変調装置と、前記仮想基準直線上に設けられ、入射光を前記仮想基準直線に沿って前記空間光変調装置に入力させる入力光学系と、前記仮想基準直線上に設けられ、前記空間光変調装置から仮想基準直線に沿って出力された出射光を処理するための出力光学系とを備え、前記空間光変調装置は、前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向にずれた位置に設けられた反射型空間光変調素子と、前記仮想基準直線上に設けられ、前記仮想基準直線に沿って前記入力光学系から入射してくる入射光を反射して前記反射型空間光変調素子に読みだし光として斜めに入射させるための入力側反射面と、前記仮想基準直線上に設けられ、前記反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を反射して出射光として前記仮想基準直線に沿って出力するための出力側反射面と、を備え、前記反射型空間光変調素子が、前記入力側反射面からの読みだし光を反射するための素子反射面を備え、前記入力側反射面と前記出力側反射面とが、前記仮想基準直線に沿って距離Ｌだけ離間し、前記素子反射面が前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向に距離ｈだけ離間し、前記入力側反射面、前記出力側反射面、及び、前記素子反射面とが、前記仮想基準直線が延びる方向に対して、それぞれ、角度φ１、φ２、φ３だけ傾いており、前記距離Ｌ、ｈ、及び、前記角度φ１、φ２、φ３とが以下の式（１）及び（２）を満足し、前記入力光学系は、入力画像をフーリエ変換する第１のレンズを有し、前記反射型空間光変調素子は、参照画像に基づくフィルターパターンにて前記入力画像のフーリエ変換画像を位相変調し、前記出力光学系は、前記空間光変調装置からの出力光をフーリエ変換する第２のレンズを有し、前記入力画像と前記参照画像との相関を示す画像を出力し、前記入力画像を作成する入力画像作成手段をさらに備え、前記入力画像作成手段は、別の空間光変調装置からなり、前記別の空間光変調装置は、前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向にずれた位置に設けられた反射型空間光変調素子と、前記仮想基準直線上に設けられ、前記仮想基準直線に沿って入射してくる入射光を反射して前記反射型空間光変調素子に読みだし光として斜めに入射させるための入力側反射面と、前記仮想基準直線上に設けられ、前記反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を反射して出射光として前記仮想基準直線に沿って出力するための出力側反射面とを備え、前記反射型空間光変調素子が、前記入力側反射面からの読みだし光を反射するための素子反射面を備え、前記入力側反射面と前記出力側反射面とが、前記仮想基準直線に沿って距離Ｌだけ離間し、前記素子反射面が前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向に距離ｈだけ離間し、前記入力側反射面、前記出力側反射面、及び、前記素子反射面とが、前記仮想基準直線が延びる方向に対して、それぞれ、角度φ１、φ２、φ３だけ傾いており、前記距離Ｌ、ｈ、及び、前記角度φ１、φ２、φ３とが前記式（１）及び（２）を満足し、前記第１のレンズが、前記別の空間光変調装置から出力された出射光をフーリエ変換することを特徴とする光学処理装置を提供している。

このような構成によると、入力光学系及び出力光学系が仮想基準直線上に配置されている。このため、入力側反射面、出力側反射面、及び、反射型空間光変調素子を仮想基準直線に対して垂直な方向に位置調整するだけで、光学処理装置全体の位置調整を簡単に行なうことができる。従って、光学系の設計、組立、調整が簡単となる。また、このような構成によると、第１のレンズは入力画像をフーリエ変換する。反射型空間光変調素子は、参照画像に基づくフィルターパターンにて入力画像のフーリエ変換画像を位相変調する。第２のレンズは、空間光変調装置からの出力光をフーリエ変換して入力画像と参照画像との相関を示す画像を出力する。従って、光を効率よく利用して入力画像と参照画像との相関に応じた画像を出力することができる。また、かかる構成によると、空間光変調装置が多段で接続されることになり、光を効率よく利用しつつ、しかも、入力画像を自由に生成することができる。

また、本発明の別の観点では、第１〜第５の側面をこの順に有する５角柱形状で、第１の側面と第２の側面とが互いに９０°をなして接続し、第２の側面と第３の側面とが互いに９０°をなして接続し、第３の側面と第４の側面とが互いに９０゜−φ２をなして接続し、第４の側面と第５の側面とが互いに１８０゜＋φ１＋φ２をなして接続し、第５の側面と第１の側面とが互いに９０゜−φ１をなして接続したカップリングプリズムを用意し、素子反射面を有する反射型空間光変調素子を、素子反射面が第２の側面に対し平行に延びるように、第２の側面に対し接合し、仮想基準直線が第１の側面及び第５の側面を貫通し、第５の側面と第４の側面とが、前記仮想基準直線に沿って距離Ｌだけ離間し、前記素子反射面が前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向に距離ｈだけ離間し、第５の側面と第４の側面と素子反射面とが、前記仮想基準直線が延びる方向に対して、それぞれ、角度φ１、φ２、φ３だけ傾き、前記距離Ｌ、ｈ、及び、前記角度φ１、φ２、φ３とが以下の式（１’）及び（２’）を満足するように、カップリングプリズムを仮想基準直線に対し配置し、

前記仮想基準直線に沿って第５の側面に向けて読み出し光を入射させ、前記カップリングプリズムの屈折率はｍであり、前記反射型空間光変調素子が、０〜αの範囲の収束角で入射する読みだし光を変調して、その所定の成分を０〜βの範囲の発散角で出射し、前記反射型空間光変調素子へ入射する読み出し光が収束光の場合にはαは正の値をとり発散光の場合にはαは負の値をとり、前記反射型空間光変調素子から出射する読み出し光の前記所定の成分が発散光の場合にはβは正の値をとり収束光の場合にはβは負の値をとり、前記所定の成分とは１以上ｎ（ｎは０より大きい自然数）以下の回折次数の回折成分であり、δはｎ次回折光の回折角度であり、α及びβが、前記入射光の波長λ、及び、前記反射型空間光変調素子に表示可能な最小の格子パターンの格子定数ｄに対して、以下の式（９´）及び（１０´）を満足することを特徴とする、カップリングプリズムの使用方法を提供している。

このような方法によると、第１の側面は、仮想基準直線に沿って入射する入射光を透過させ入射光をカップリングプリズム内部に導く。第５の側面は、第１の側面から内部を伝搬してくる光を反射する。反射型空間光変調素子に接合された第２の側面は、第５の側面で反射され内部を伝搬してくる光を透過させて、反射型空間光変調素子に対し読みだし光として斜めに入射させ、かつ、反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を透過して内部を伝搬させる。第４の側面は、第２の側面から内部を伝搬してくる読みだし光を反射して出射光として内部を伝搬させる。第３の側面は、第４の側面から内部を伝搬してくる出射光を仮想基準直線に沿って外部へ出力する。したがって、カップリングプリズムの第１の側面に入射する入射光の主光線と第３の側面から出射する出射光の主光線とが同一の仮想基準直線上になる。カップリングプリズムを用いることにより、光学系全体をコンパクト化することができ、しかも、光学系の設計、組立、調整が容易になる。さらに、反射型空間光変調素子により任意の入射光に対し任意の光学処理を効率よく施すことができる。また、反射型空間光変調素子で回折された変調読みだし光のうち、少なくとも１次以上ｎ次以下の回折光の全てが第４の側面によって反射されることが確保される。なお、特に式（４´）〜（７´）の等号が成立する場合には、（ｎ＋１）次以上の回折光を不要成分として除去することができる。

は従来の光学処理装置（パターン形成光学系）の構成を示す図である。 は従来の別の光学処理装置（４ｆ光学系）の構成を示す図である。 は図２の４ｆ光学系を改良して得られる４ｆ光学系の構成を示す図である。 は、図３の光学処理装置における反射型ＳＬＭの位置調整において生じる問題を説明する図である。 は、図３の４ｆ光学系を応用して得られる別の４ｆ光学系の構成を示す図である。 は、第１の実施の形態にかかる、空間光変調装置の構成を示す図である。 は、第１の実施の形態にかかる、空間光変調装置に設けられた反射型ＳＬＭの構成を示す図である。 は、図６の空間光変調装置における読み出し光の主光線と反射型ＳＬＭと２つのミラーとの位置関係を示す図である。 は、図６の空間光変調装置における読み出し光が反射される状態を示す図である。 は、図６の空間光変調装置において入力光ビームの主光線及び辺縁光線が入力側反射面において反射される状態を示す図である。 は、図６の空間光変調装置において出力光ビームの主光線及び辺縁光線が出力側反射面において反射される状態を示す図である。 は、図６の空間光変調装置における各反射面での反射を展開した直線光路図である。 は、図６の空間光変調装置を採用した光学処理装置（４ｆ光学系）の構成を示す図である。 は、図１３の光学処理装置における反射型ＳＬＭの位置調整を説明する図である。 は、第２の実施の形態にかかる、空間光変調装置の構成を示す図である。 は、図１５の空間光変調装置を採用した光学処理装置（波形成形光学系）の構成を示す図である。 は、図１５の空間光変調装置を採用した別の光学処理装置（４ｆ光学系）の構成を示す図である。 は、図１５の空間光変調装置を採用した別の光学処理装置（４ｆ光学系）の構成を示す図である。 は、図１５の空間光変調装置を採用した別の光学処理装置（波面補償光学系）の構成を示す図である。 は、第３の実施の形態にかかる、空間光変調装置の構成を示す図である。 は、第４の実施の形態にかかる、空間光変調装置の構成を示す図である。 は、変更例に係る空間光変調装置における反射型ＳＬＭと入力側反射面と出力側反射面との位置関係を示す図である。

符号の説明

１ 空間光変調装置
３ ミラー
５ 反射型ＳＬＭ
５ｃ 素子反射面
７ ミラー
９ 仮想基準直線
３０ 空間光変調装置
３２ プリズム
４０ 空間光変調装置
４２ プリズム
５０ 空間光変調装置
５２ カップリングプリズム
６０ 光学処理装置
６２ レーザ
８０ 光学処理装置
８１ 光源
８２ コリメートレンズ
８４ 入力面
８６ フーリエ変換レンズ
８８ フーリエ変換レンズ
９０ 出力面
９１ 光軸
９２ 光軸
１００ 光学処理装置
２００ 光学処理装置
３００ 光学処理装置
３０２ 入力面
３１２ ビームサンプラー
３１４ 波面センサ
３１６ 制御装置
３１８ 出力面
Ｍ１ 入力側反射面
Ｍ２ 出力側反射面
Ｐ１ 入力側透過面
Ｐ２ 接合透過面
Ｐ３ 出力側透過面
Ｉ 入力光学系
Ｏ 出力光学系
Ｒ 平行光投光光学系

本発明の実施の形態による空間光変調装置、光学処理装置、及び、カップリングプリズムの使用方法について、図面を参照して説明する。

本発明の第１の実施の形態による空間光変調装置１について、図６乃至図１２に基づき説明する。

図６に示すように、第１の実施の形態による空間光変調装置１は、ミラー３、反射型空間光変調素子５（以下、反射型ＳＬＭ５という）、及び、ミラー７を有している。

反射型ＳＬＭ５は、所定の仮想基準直線９から仮想基準直線９に対して垂直な方向にずれた位置に配置されている。反射型ＳＬＭ５は、変調部５ａとミラー層５ｂとアドレス部５ｄとを備えている。ミラー層５ｂの変調部５ａ側の面が素子反射面５ｃを規定している。反射型ＳＬＭ５は、変調部５ａが仮想基準直線９に対向する向きに配置されている。

ミラー３、７は、共に、仮想基準直線９上に配置されている。ミラー３、７は、共に、仮想基準直線９に対して斜めに配置されている。より詳しくは、ミラー３、７は、仮想基準直線９上に、「ハ」の字形状に配置されている。ミラー３は入力側反射面Ｍ１を有し、ミラー７は出力側反射面Ｍ２を有している。入力側反射面Ｍ１には、読み出し光が図示しない入力側光学系から仮想基準直線９に沿って入力ビームとして入射してくる。すなわち、入力ビームの主光線（光軸）１１は仮想基準直線９に沿って進んでくる。入力側反射面Ｍ１は、読み出し光を反射型ＳＬＭ５へ反射する。反射型ＳＬＭ５に入射した読み出し光は、変調部５ａを伝搬する際変調され、素子反射面５ｃにて反射され、変調部５ａを再び伝搬してさらに変調された後、反射型ＳＬＭ５から出射する。読み出し光は出力側反射面Ｍ２で反射され、出力ビームとして仮想基準直線９に沿って進み空間光変調装置１から出射し、図示しない出力側光学系へ出力される。こうして、出力ビームの主光線（光軸）１７も仮想基準直線９に沿って進む。なお、入力ビーム主光線１１及び出力ビーム主光線１７が通る経路を空間光変調装置１における光軸と定義する。また、入力側反射面Ｍ１、反射型ＳＬＭ５、及び、出力側反射面Ｍ２の反射による読み出し光の光軸の角度変化は全て図６の紙面内で起こり、紙面に垂直な方向への光軸の角度変化はないものとする。

反射型ＳＬＭ５が、例えば、光アドレス型の平行配向型ネマッティック液晶空間光変調器（Ｐａｒａｌｌｅｌ−Ａｌｉｇｎｅｄ ｎｅｍａｔｉｃ−Ｌｉｃｕｉｄ−ｃｒｉｓｔａｌ Ｓｐａｃｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：以下、ＰＡＬ−ＳＬＭという）である場合には、図７に示すように、変調部５ａは、水平配向状態のネマティック液晶層５００，透明電極５０１，及び、透明基板５０２からなる。ミラー層５ｂは多層膜誘電体層５０３からなる。多層膜誘電体層５０３の液晶層５００側の面が素子反射面５ｃを規定する。アドレス部５ｄは、光導電層５０４，透明電極５０５，及び、透明基板５０６からなる。所望の強度分布を有する強度変調光が透明基板５０６と透明電極５０５とを介して光導電層５０４に照射されると、液晶層５００の屈折率分布が変化する。読み出し光は、透明基板５０２及び透明電極５０１を介して液晶層５００に入射し、液晶層５００にて位相変調されて多層膜誘電体層５０３にて反射される。こうして、読み出し光は、所望の強度分布に対応する位相分布を有する位相変調光に変換され、反射型ＳＬＭ５から出射する。この場合、液晶層５００は読み出し光の位相のみを変調することができる。

例えば、図７に示すように、反射型ＳＬＭ５のアドレス部５ｄに対向して、リレーレンズ５４０、液晶ディスプレイ（以下、ＬＣＤという）５３０、コリメートレンズ５２０、及び、書き込み用光源５１０を配置しても良い。書き込み用光源５１０は一様な強度分布を有する書き込み光を出射する。コリメートレンズ５２０は書き込み光を平行光に変換する。ＬＣＤ５３０は透過型の電気アドレス型強度変調型空間光変調器である。ＬＣＤ５３０は、図示しない制御部から入力される信号によって電気アドレス駆動され、入射した平行光を所望の強度分布を有する強度変調光に変換する。リレーレンズ５４０は強度変調光を反射型ＳＬＭ５に結像する。

なお、反射型ＳＬＭ５、書き込み用光源５１０、コリメートレンズ５２０、ＬＣＤ５３０、及び、リレーレンズ５４０を、筐体内に収納し位相変調モジュール６として構成しても良い。この場合、位相変調モジュール６をミラー３，７に対して図７に示すように配置することにより、反射型ＳＬＭ５とミラー３，７との位置関係を図６に示して説明したものと同一とすることができる。

なお、位相変調モジュール６として、例えば、電気アドレス型液晶位相変調モジュール「ＳＬＭＸ７５５０」（商品名、浜松ホトニクス株式会社製）を使用することができる。

次に図８を参照しながら、入力側反射面Ｍ１、素子反射面５ｃ、出力側反射面Ｍ２の具体的な配置関係を説明する。なお、図８では、明瞭化を図るため、反射型ＳＬＭ５のうちミラー層５ｂのみを図示し変調部５ａ及びアドレス部５ｄの図示を省略している。

図８に示すように、入力主光線１１が入力側反射面Ｍ１に入射する点を点Ａ、入力側反射面Ｍ１で反射した光の主光線が反射型ＳＬＭ５に入射する点を点Ｃ、反射型ＳＬＭ５で変調され素子反射面５ｃにて反射した光の主光線が出力側反射面Ｍ２に入射する点を点Ｂとする。点Ａと点Ｂとを結ぶ直線Ａ−Ｂは仮想基準直線９上に位置している。入力側反射面Ｍ１は仮想基準直線９に対して角度φ１をなす方向に延びている。出力側反射面Ｍ２は仮想基準直線９に対して角度φ２をなす方向に延びている。素子反射面５ｃは仮想基準直線９に対して角度φ３をなす方向に延びている。なお、φ１及びφ３は、図８において、仮想基準直線９から反時計方向に正の値を採る。また、φ２は、図８において、仮想基準直線９から時計方向に正の値を採る。φ１、φ２は、０°＜φ１＜９０°、０°＜φ２＜９０°を満足している。すなわち、入力側反射面Ｍ１及び出力側反射面Ｍ２は仮想基準直線９に対して斜めに延びている。素子反射面５ｃは仮想基準直線９に対して斜めもしくは平行に延びている。また、入力側反射面Ｍ１の両端を点Ａ１、点Ａ２とする。点Ａ１、点Ａ２のうち、点Ａ２は仮想基準直線９より反射型ＳＬＭ５側に位置する。点Ａ１は仮想基準直線９より反射型ＳＬＭ５とは反対側に位置している。線分Ａ１−Ａ２の長さをａ、線分Ａ−Ａ１の長さをａ１、線分Ａ―Ａ２の長さをａ２とする。出力側反射面Ｍ２の両端を点Ｂ１、点Ｂ２とする。点Ｂ１、点Ｂ２のうち、点Ｂ１は仮想基準直線９より反射型ＳＬＭ５側に位置し、点Ｂ２は仮想基準直線９より反射型ＳＬＭ５とは反対側に位置している。線分Ｂ１―Ｂ２の長さをｂ、線分Ｂ―Ｂ１の長さをｂ１、線分Ｂ―Ｂ２の長さをｂ２とする。素子反射面５ｃの２つの端点を点Ｃ１、点Ｃ２とする。点Ｃ１は、出力側反射面Ｍ２より入力反射面Ｍ１に近い側に位置し、点Ｃ２は入力反射面Ｍ１より出力側反射面Ｍ２に近い側に位置している。線分Ｃ１―Ｃ２の長さ（すなわち、反射型ＳＬＭ５の有効口径）をｃ、線分Ｃ−Ｃ１の長さをｃ１、線分Ｃ−Ｃ２の長さをｃ２とする。さらに、点Ｃから線分Ａ−Ｂへの垂線の足を点Ｄ、垂線Ｃ―Ｄの長さをｈ、線分Ａ−Ｂの長さをＬとする。

本実施の形態では、角度φ１、φ２、φ３と長さL、ｈとは、以下の関係（１）（２）を有している。

及び

上記関係（１）（２）が満足されているため、入力側反射面Ｍ１に入射する入力主光線１１が仮想基準直線９に沿って進むのみならず、出力側反射面Ｍ２で反射した出力主光線１７も仮想基準直線９に沿って進むことが確保されている。換言すれば、出力主光線１７は入力主光線１１の延長線上に位置すること（条件１）が確保されている。

ここで、図９に示すように、読み出し光（入力光ビーム）は、図示しない入力光学系から、仮想基準直線９に沿って、０からαの範囲の収束角にて入射してくるとする。なお、入力光ビームが収束光の場合αは正の値をとり、発散光の場合αは負の値をとる。また、読み出し光（入力光ビーム）の反射型ＳＬＭ５に入射する際のビーム径は、素子反射面５ｃの長さｃに等しいとする。また、反射型ＳＬＭ５で変調され素子反射面５ｃにて反射された読み出し光が反射型ＳＬＭ５から出射する。この読み出し光のうち、所望の成分（すなわち、空間光変調装置１から出力させたい所望の成分）が、０からβの範囲の発散角にて出力光ビームとして出射するとする。なお、出力光ビームが発散光の場合βは正の値をとり、収束光の場合にはβは負の値をとる。なお、αとβの絶対値は十分小さく、反射型ＳＬＭ５近くでの光の集光・発散による光ビームの断面形状の変化は無視できるとする。したがって、入力光ビームの素子反射面５ｃ近くでの素子反射面５ｃに沿った長さが素子反射面５ｃの長さｃに略等しいだけでなく、出力光ビームの素子反射面５ｃ近くでの素子反射面５ｃに沿った長さも素子反射面５ｃの長さｃに略等しいとする。なお、図９でも、図８同様、明瞭化を図るため、反射型ＳＬＭ５のうちミラー層５ｂのみを図示し変調部５ａ及びアドレス部５ｄの図示を省略している。

本実施の形態では、角度φ１、φ２と、長さｃ，ｃ１，ｈ、ａ１，ａ２、ｂ１，ｂ２，Ｌ（図８）とは、収束角αと発散角βとに対し、以下の関係（３）〜（８）を有している。

ここで、入力光ビームの最外部を規定する光線を入力辺縁光線１３、１５とする。入力辺縁光線１３、１５は、入力主光線１１に対して収束角αをなす方向に伝搬する。入力光は入力主光線１１（光軸）に対して対称であるため、入力辺縁光線１３と１５の強度は互いに等しい。すなわち、入力辺縁光線１３と１５の強度は入力主光線１１の強度の所定の割合の大きさである。また、出力光ビームの最外部を規定する光線を出力辺縁光線１９、２１とする。出力光ビームは出力主光線１７（光軸）に対して対称である。出力辺縁光線１９、２１は、出力主光線１７に対して発散角βをなす方向に伝搬する。

本実施の形態では、式（３）〜式（８）を満足しているため、図１０に示すように、入力主光線１１は、ミラー３上の点Ａで反射されて反射型ＳＬＭ５の点Ｃに至る。入力辺縁光線１３は、ミラー３上の別の点（端点Ａ１と点Ａとの間の点）で反射されて反射型ＳＬＭ５の素子反射面５ｃの一端Ｃ１に至る。他の入力辺縁光線１５は、ミラー３上のさらに別の点（端点Ａ２と点Ａとの間の点）で反射されて反射型ＳＬＭ５の素子反射面５ｃの他端Ｃ２に至る。こうして、入力光ビーム全体がミラー３で反射されて反射型ＳＬＭ５に到達し、反射型ＳＬＭ５により変調される。

さらに、図１１に示すように、出力主光線１７はミラー７上の点Ｂで反射される。出力辺縁光線１９は、ＳＬＭ５の素子反射面５ｃの一端Ｃ１から出射し、ミラー７上の点（端点Ｂ１と点Ｂとの間の点）で反射される。他の出力辺縁光線２１は、ミラー７上の別の点（端点Ｂ２と点Ｂとの間の点）で反射される。こうして、反射型ＳＬＭ５を出力した所望の成分の出力光ビーム全体がミラー７で反射され、図示しない出力側光学系に導かれる。

したがって、図９に示すように、入力側光学系からの入力ビームの全てが入力側反射面Ｍ１によって反射され（条件２）、入力側反射面Ｍ１で反射されたビームの全てが反射型ＳＬＭ５に入射し（条件３）、反射型ＳＬＭ５で変調され反射されたビームのうち必要な成分の全てが出力側反射面Ｍ２によって反射される（条件４）ことが確保されている。また、式（８）により、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２との位置が重ならないことが確保されている。

ここで、入力光ビームの収束角度αと、出力光ビームの発散角度βとの間には、図１２に示すように、次の関係（９）がある。なお、図１２は、入力側反射面Ｍ１、素子反射面５ｃ、出力側反射面Ｍ２の各面での反射を展開した直線光路図である。

例えば、反射型ＳＬＭ５で変調されて生成された回折光のうちｎ次回折光（なお、ｎは１以上の自然数）までの回折光を空間光変調装置１から出力させたい場合には、δはｎ次回折光の回折角度である。ｎ次回折光の回折角度δは、次式（１０）により与えられる。

ここで、ｄは反射型ＳＬＭ５に表示可能な最小の格子パターンの格子定数（隣合った縞の中心間の距離）であり、λは読み出し光の波長である。

したがって、入力光学系から入射させる入力光の収束角度αと所望の回折次数ｎに対し、パラメータφ１、φ２、ｃ、ｃ１，ｈ、ａ１，ａ２、ｂ１，ｂ２，Ｌを数式（１）〜（１０）を満足するように選択すれば、入力光を有効に反射型ＳＬＭ５に照射できる。さらに、反射型ＳＬＭ５で得られた１〜ｎ次回折光を有効に空間光変調装置１から出力させることができる。

例えば、１次以下の回折光を空間光変調装置１から出力させたい場合には、αを入力光学系から入射させる入力光の収束角度に設定し、回折次数ｎをｎ＝１に設定し、パラメータφ１、φ２、ｃ、ｃ１，ｈ、ａ１，ａ２、ｂ１，ｂ２，Ｌを数式（１）〜（１０）を満足するように選択すればよい。また、１次回折光と２次回折光とを空間光変調装置１から出力させたい場合には、回折次数ｎをｎ＝２に設定しなおせばよい。
特に、式（４）〜（７）において等号が成立するようにパラメータφ１、φ２、ｃ、ｃ１，ｈ、ａ１，ａ２、ｂ１，ｂ２，Ｌを選択すれば、１〜ｎ次回折光を有効に出力させるのみならず、（ｎ＋１）次以上の不要な回折光を除去することができる。

以上のように本実施の形態の空間光変調装置１によれば、入力主光線１１と出力主光線１７とが共に仮想基準直線９に沿って進むので、空間光変調装置１に対して入力側光学系や出力側光学系を組み合わせる際、入力側光学系と出力側光学系とを共に仮想基準直線９上に配置することができる。したがって、光学系全体の設計、組立、位置調整が極めて容易となり、また、光学系全体をコンパクト化することができる。また、空間光変調装置１を複数個、単一の仮想基準直線９に沿って多段接続することができる。また、反射型ＳＬＭ５は、任意の入力光ビームに対して任意の変調を施すことができ、任意の光学処理を行うことができる。また、入力側反射面Ｍ１がミラー３で構成され、出力側反射面がミラー７で構成されるため、空間光変調装置１全体の構成が簡単になる。

ミラー３，７の長さを反射型ＳＬＭ５の長さｃ（有効面積）に応じて決定するため、空間光変調装置１全体を、容易かつ安価に製造することがきる。反射型ＳＬＭ５はミラー３，７に比べると製造が困難で高価であるのに対し、ミラー３，７は製造容易で安価だからである。

しかも、入力側反射面Ｍ１への入射光の全てが入力側反射面Ｍ１によって反射され、入力側反射面Ｍ１で反射された入射光の全てが読みだし光として反射型ＳＬＭ５に入射し、さらに反射型ＳＬＭ５で変調された読みだし光の所望の成分全てが出力側反射面Ｍ２によって反射される。したがって、光の利用効率を高めることができ、有効開口率の高い反射型ＳＬＭ５の利点を活かすことができる。

特に、φ３がゼロ（０）の場合、すなわち、素子反射面５ｃが仮想基準直線９に対して平行な場合には、図８において、ａ１＝ｂ２、ａ２＝ｂ１となる。従って、ａ１とａ２か、ｂ１とｂ２かのどちらか片方の組のパラメータを決定すれば、もう片方の組も自動的に決定される。α＞βのときはａ１とａ２を、β＞αの場合はｂ１とｂ２の方を考慮すればよい。今、β＞αとすると、式（１）乃至（８）は、以下の（１１）〜（１６）のように書き換えることができる。

入力光学系から入射させる入力ビームの収束角度αと所望の値βとに対し、パラメータφ１、φ２、ｃ、ｃ１，ｈ、ａ１，ａ２、ｂ１，ｂ２，Ｌを数式（１１）〜（１６）を満足するように選択すれば、出力主光線１７が入力主光線１１の延長線上にあり（条件１）、入力側反射面Ｍ１への入力ビームの全てが入力側反射面Ｍ１によって反射され（条件２）、入力側反射面Ｍ１で反射されたビームの全てが反射型ＳＬＭ５に入射し（条件３）、反射型ＳＬＭ５で変調されたビームのうち必要な成分の全てが出力側反射面Ｍ２によって反射される（条件４）ことが確保される。素子反射面５ｃが仮想基準直線９に対して平行なため、光学系の設計、組立、調整がより容易となる。

なお、図示しない入力側光学系は、例えば、ピンホール（開口）とレンズとを備えることにより、読み出し光（入力光ビーム）が、０〜αの範囲の収束角で、かつ、素子反射面５ｃの長さｃに等しいビーム径ｃにて反射型ＳＬＭ５に入射することを確保することができる。この場合、入力辺縁光線１３、１５は、ピンホールの縁を通過した光線となる。

なお、図示しない入力側光学系が、空間光変調装置１に対し、読み出し光（入力光ビーム）を任意の収束角及び任意のビーム径で入射させる場合を考える。この場合にも、入力側反射面Ｍ１，出力側反射面Ｍ２，素子反射面５ｃの位置関係を式（１）〜（８）もしくは式（１１）〜（１６）を満足するように設定することにより、入力側反射面Ｍ１に入射した読み出し光のうち、主光線１１に対して０〜αの角度をなす方向に伝搬して反射型ＳＬＭ５の素子反射面５ｃに入射する成分の全てが入力側反射面Ｍ１によって反射され、入力側反射面Ｍ１で反射された読み出し光の全てが反射型ＳＬＭ５に入射し、反射型ＳＬＭ５で変調され０〜βの角度で反射型ＳＬＭ５より出射する読みだし光の所望の成分全てが出力側反射面Ｍ２によって反射されることが確保できる。

次に、図１３及び図１４を参照しながら、上記空間光変調装置１を採用した光学処理装置８０について説明する。

図１３に示すように、光学処理装置８０は、光源８１、ピンホール８３、コリメートレンズ８２、入力面８４、フーリエ変換レンズ８６、空間光変調装置１、フーリエ変換レンズ８８、及び、出力面９０を備えている。光学処理装置８０は、入力面８４に表示される入力画像と反射型ＳＬＭ５に表示される参照画像との相関を示すパターンを出力する４ｆ光学系（フーリエ変換光学系）である。光源８１、ピンホール８３、コリメートレンズ８２、入力面８４が入力光学系Ｉを構成している。このうち、光源８１、ピンホール８３、コリメートレンズ８２が平行投光光学系Ｒを構成している。フーリエ変換レンズ８８と出力面９０とが出力光学系Ｏを構成している。

空間光変調装置１は、ミラー３、７及び反射型ＳＬＭ５を有している。反射型ＳＬＭ５は、例えば、図７を参照して説明したＰＡＬ−ＳＬＭであり、やはり図７を参照して説明した位相変調モジュール６に内蔵されている。なお、図１３では、明瞭化を図るため、反射型ＳＬＭ５のみを図示している。

光源８１、ピンホール８３、コリメートレンズ８２、入力面８４、フーリエ変換レンズ８６、フーリエ変換レンズ８８、出力面９０、ミラー３、及び、ミラー７が、仮想基準直線９上に配置されている。入力面８４とフーリエ変換レンズ８６との間の距離と、フーリエ変換レンズ８６と素子反射面５ｃとの間のミラー３を介した距離とは、フーリエ変換レンズ８６の焦点距離（長さｆ１）に等しく設定されている。素子反射面５ｃとフーリエ変換レンズ８８との間のミラー７を介した距離と、フーリエ変換レンズ８８と出力面９０との間の距離とは、フーリエ変換レンズ８８の焦点距離（長さｆ２）に等しく設定されている。光源８１は、レーザであって、所定の波長の直線偏光光を読み出し光として出射する。ピンホール８３及びコリメートレンズ８２は、読み出し光を所定のビーム径の平行光に変換する。したがって、入力面８４には所定のビーム径の平行光が投射される。入力面８４には、投射された平行光の光強度もしくは位相またはその両方を入力画像に応じて変化させるデバイス（例えば、入力画像を表示したフィルムやマスク等の透過型の物体）が配置されている。入力面８４で変調された入力光（入力画像）はフーリエ変換レンズ８６でフーリエ変換され、ミラー３を介して反射型ＳＬＭ５に入射する。このとき、入力光は、収束角度α、かつ、ビーム径ｃにて、反射型ＳＬＭ５に入射する。反射型ＳＬＭ５は、参照画像に基づいて作成されたフィルタパターンを表示しており、反射型ＳＬＭ５に入射した入力画像を変調し出力する。出力光はミラー７で反射され仮想基準直線９に沿って伝搬し、フーリエ変換レンズ８８でフーリエ変換されて出力面９０に相関パターンを出力する。

空間光変調装置１では、反射型ＳＬＭ５は、仮想基準直線９から仮想基準直線９に対して垂直な方向にずれた位置に配置されている。反射型ＳＬＭ５の素子反射面５ｃは仮想基準直線９に平行に配置されている。すなわち、反射型ＳＬＭ５は、φ３＝０（図８）となるように、配置されている。ミラー３，７，反射型ＳＬＭ５は、入力光ビームの収束角度αと所望の最大回折次数ｎとに対し、式（１１）〜（１６）、及び、（９）、（１０）を満足するように、配置されている。

光学処理装置８０によれば、入力光学系Ｉから出力された入力光の全てがミラー３に入射し、ミラー３で反射した光の成分全てが反射型ＳＬＭ５に入射し、反射型ＳＬＭ５で変調された光のうち必要な成分（１〜ｎ次回折光）の全てがミラー７で反射しフーリエ変換レンズ８８にてフーリエ変換される。したがって、光の利用効率を高めることができ、有効開口率の高い反射型ＳＬＭ５の利点を活かすことができる。

また、入力光学系Ｉと出力光学系Ｏとが仮想基準直線９上に配置されており、入力光の光軸９１と出力光の光軸９２とが両方とも仮想基準直線９上に位置している。反射型ＳＬＭ５は仮想基準直線９から垂直方向にずれた位置にある。また、光源８１、ピンホール８３、コリメートレンズ８２、入力面８４、フーリエ変換レンズ８６、フーリエ変換レンズ８８、及び、出力面９０は、全て、仮想基準直線９に対し、仮想基準直線９がこれらを直交して貫通する向きに配置されている。このように、入力光学系Ｉと出力光学系Ｏと反射型ＳＬＭ５とは、単一の仮想基準直線９に対して、平行あるいは垂直な向きに配置されている。反射型ＳＬＭ５の筐体は一般に直方体であるため、反射型ＳＬＭ５と入力光学系と出力光学系との整合性が取りやすく、光学処理装置８０全体をコンパクトに設計することが容易である。また、光学処理装置８０全体を基板上に設ける際にも、単一の仮想基準直線９を基板上に設定すればよいため、機械加工も容易となる。したがって、光学系の設計及び組立が容易となる。

反射型ＳＬＭ５の素子反射面５ｃが仮想基準直線９に対して平行になるように配置されているため、仮想基準直線９に平行な線を素子反射面５ｃの位置の基準として利用することができ、光学系の設計、組立がより容易となっている。また、入力光学系Ｉと出力光学系Ｏとは反射型ＳＬＭ５から分離されているため、入力光学系Ｉ及び出力光学系Ｏの光学調整は仮想基準直線９上で行えばよい。しかも、入力面８４、フーリエ変換レンズ８６、フーリエ変換レンズ８８、及び、出力面９０が仮想基準直線９に対し仮想基準直線９がこれらを直交して貫通する向きに配置されているため、仮想基準直線９に対する平行線と垂直線とを光学調整の際に利用することができる。したがって、光学調整も容易となる。

以下、図１４を参照して、この光学調整について具体的に説明する。

例えば、反射型ＳＬＭ５の光軸方向の位置を変化させるために、反射型ＳＬＭ５を実線で示す位置Ｉから破線で示す位置ＩＩに移動させるとする。このとき、同時に、ミラー３とミラー７も仮想基準直線９に対して垂直な方向に実線で示す位置から破線で示す位置まで移動させる。反射型ＳＬＭ５とミラー３、７の位置関係が、移動前（実線）においても移動後（破線）においても式（１２）を満たし続ければ、入力光の光軸９１と出力光の光軸９２とは仮想基準直線９上に位置しつづける。ただし、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２等の長さについては、予め調整用の余裕を考えて長めに設定してあり、移動後においても式（１４）乃至（１６）の不等式が満足され続けているとする。

移動前の光路Ａ−Ｃ−Ｂが形成する三角形ＡＣＢと移動後の光路Ａ’−Ｃ’−Ｂ’が形成する三角形Ａ’Ｃ’Ｂ’とは互いに相似である。線分ＡＢの長さを長さＬ、点Ｃから線分ＡＢに下ろした垂線が線分ＡＢと交わる点を点Ｄとし、線分ＣＤの長さを長さｈとする。いま、三角形Ａ’Ｃ’Ｂ’の辺の長さが、三角形ＡＣＢよりｗ倍大きいとする。すなわち、仮想基準直線９と反射型ＳＬＭ５との距離が移動の前後でｗ倍大きくなったとする。

移動前のミラー３から反射型ＳＬＭ５までの光路長はＡ’Ａ＋ＡＣであり、移動後は長さＡ’Ｃ’である。長さＡ’Ａは（ｗ−１）ｈ／ｔａｎ（２φ１）、長さＡＣはｈ／ｓｉｎ（２φ１）、長さＡ’Ｃ’はｗＡＣである。移動前後の光路長の変化ｄは、Ａ’Ｃ’−（Ａ’Ａ＋ＡＣ）で計算できるので、ｄ＝（ｗ−１）ｈｔａｎ（φ１）で表される。また、反射型ＳＬＭ５およびミラー３、７の仮想基準直線９に対して垂直な方向への移動量をΔｈとすると、Δｈ＝（ｗ−１）ｈ＝ｄ／ｔａｎ（φ１）となる。

このように、光路長を調整するために行う反射型ＳＬＭ５の位置調整は、反射型ＳＬＭ５とミラー３、７を仮想基準直線９に対して垂直な方向に移動させることによって容易に実現でき、入力光学系Ｉ及び出力光学系Ｏの光学デバイスに関係する光軸９１，９２を移動させる必要がない。したがって、入力光学系Ｉ及び出力光学系Ｏの光学デバイスの光軸方向における位置調整と、反射型ＳＬＭ５と２つのミラー３、７の光軸に垂直な方向における位置調整とを、互いに独立に行うことができる。

なお、光学処理装置８０でも、φ３はゼロ（０）でなくても良い。すなわち、反射型ＳＬＭ５の素子反射面５ｃは仮想基準直線９に対して平行でなくても良い。この場合には、ミラー３、７及び反射型ＳＬＭ５を数式（１１）〜（１６）の代わりに、数式（１）〜（８）を満足するように、配置すれば良い。反射型ＳＬＭ５と仮想基準直線９との成す角度φ３がゼロでなくても、図１４を参照して説明したのと同様に、反射型ＳＬＭ５とミラー３、７を仮想基準直線９に対して垂直な方向に移動させるだけで、光路長を調整することができる。

次に、第２の実施の形態にかかる空間光変調装置３０について、図１５を参照しながら説明する。

空間光変調装置３０は、ミラー３，７の代わりにプリズム３２を備えている点を除き、第１の実施の形態にかかる空間光変調装置１と同一である。したがって、空間光変調装置３０は、反射型ＳＬＭ５とプリズム３２とを備えている。なお、図１５では、空間光変調装置１と同様の機能、構成を有する部材には同一の番号を付している。また、明瞭化を図るため、反射型ＳＬＭ５のうちミラー層５ｂのみを図示し変調部５ａ及びアドレス部５ｄの図示を省略している。反射型ＳＬＭ５は、例えば、図７を参照して説明したＰＡＬ−ＳＬＭであり、位相変調モジュール６（図７）に内蔵されていてもよい。

プリズム３２は、断面が三角形状の３角柱である。３角柱を構成する３つの面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３（外表面）のうち２つの面Ｓ１，Ｓ２に反射率を高めるための処理が施されている。これら２つの面Ｓ１，Ｓ２が、それぞれ、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２として機能する。プリズム３２は、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２とが仮想基準直線９上に位置し、残りの１つの面Ｓ３が仮想基準直線９から仮想基準直線９に対して垂直な方向にずれた位置に位置するように、配置されている。

入力側反射面Ｍ１は、仮想基準直線９に沿って入射する入力光を、反射型ＳＬＭ５に反射する。反射型ＳＬＭ５は、入力側反射面Ｍ１で反射された入力光を変調して反射する。出力側反射面Ｍ２は、反射型ＳＬＭ５からの光を反射して、仮想基準直線９に沿って出力する。

入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２と素子反射面５ｃとの配置関係は、入力側反射面Ｍ１の端点Ａ２と出力側反射面Ｍ２の端点Ｂ１とが一致している点を除き、図８を参照して説明した第１の実施の形態における入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２と素子反射面５ｃとの配置関係と同一である。

すなわち、図１５に示すように、入力主光線１１が入力側反射面Ｍ１に入射する点を点Ａ、入力側反射面Ｍ１で反射した光の主光線が反射型ＳＬＭ５に入射する点を点Ｃ、反射型ＳＬＭ５で変調され素子反射面５ｃにて反射した光の主光線が出力側反射面Ｍ２に入射する点を点Ｂとする。点Ａと点Ｂとを結ぶ直線Ａ−Ｂは仮想基準直線９上に位置している。入力側反射面Ｍ１と仮想基準直線９との成す角度をφ１、出力側反射面Ｍ２と仮想基準直線９との成す角度をφ２、素子反射面５ｃと仮想基準直線９との成す角度をφ３と定義する。なお、φ１及びφ３は、図１５において、仮想基準直線９から反時計方向に正の値を採る。φ２は、図１５において、仮想基準直線９から時計方向に正の値を採る。φ１、φ２は、０°＜φ１＜９０°、０°＜φ２＜９０°を満足している。また、入力側反射面Ｍ１の両端の点Ａ１、点Ａ２に対して、線分Ａ１−Ａ２の長さをａ、線分Ａ−Ａ１の長さをａ１、線分Ａ―Ａ２の長さをａ２とする。出力側反射面Ｍ２の両端の点Ｂ１、点Ｂ２に対して、線分Ｂ１―Ｂ２の長さをｂ、線分Ｂ―Ｂ１の長さをｂ１、線分Ｂ―Ｂ２の長さをｂ２とする。素子反射面５ｃの２つの端点Ｃ１、Ｃ２に対して、線分Ｃ１―Ｃ２の長さ（すなわち、反射型ＳＬＭ５の有効口径）をｃ、線分Ｃ−Ｃ１の長さをｃ１、線分Ｃ−Ｃ２の長さをｃ２とする。さらに、点Ｃから線分Ａ−Ｂへの垂線の足を点Ｄ、垂線Ｃ―Ｄの長さをｈ、線分Ａ−Ｂの長さをＬとする。

本実施の形態でも、第１の実施の形態同様、読み出し光（入力光ビーム）は、図示しない入力光学系から、仮想基準直線９に沿って、０からαの範囲の収束角度にて入射してくるとする。また、読み出し光（入力光ビーム）の反射型ＳＬＭ５に入射する際のビーム径は、素子反射面５ｃの長さｃに等しいとする。反射型ＳＬＭ５で変調され素子反射面５ｃにて反射された読み出し光が反射型ＳＬＭ５から出射する。この読み出し光のうち、所望の成分（すなわち、空間光変調装置３０から出力させたい所望の成分）が、０からβの範囲の発散角で、出力光ビームとして出射するとする。本実施の形態でも、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２と素子反射面５ｃとは、収束角度値αと所望の発散角度値βとに対し、式（１）〜（８）、もしくは、式（１１）〜（１６）の関係を満足している。例えば、所望の成分が１〜ｎ次回折光である場合には、収束角度αと所望の回折次数ｎとに対して、式（１）〜（８）、もしくは、式（１１）〜（１６）、及び、式（９）、（１０）の関係を満足している。

したがって、本実施の形態の空間光変調装置３０でも、第１の実施の形態の空間光変調装置１同様、入力主光線１１と出力主光線１７とが共に仮想基準直線９上に位置する。従って、入力光学系や出力光学系と組み合わせて光学系を作成する際、光学系全体の設計、組立、調整が容易となる。さらにφ３＝０であれば、光学系全体の設計、組立、調整がよりいっそう容易となる。また、光学系全体をコンパクト化することができる。空間光変調装置３０を複数個仮想基準直線９に沿って多段接続することもできる。プリズム３２への入射光の全てが入力側反射面Ｍ１によって反射され、入力側反射面Ｍ１で反射された入射光の全てが読みだし光として反射型ＳＬＭ５に入射し、さらに反射型ＳＬＭ５で変調された読みだし光の所望の成分全てがプリズム３２の出力側反射面Ｍ２によって反射される。したがって、光の利用効率を高めることが可能になり、有効開口率の高い反射型ＳＬＭ５の利点を活かすことができる。しかも、本実施の形態によれば、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２とが単一のプリズム３２に備えられているので、全体の部品点数が少なくなり、構成がさらに単純化されている。

次に、図１６を参照しながら、空間光変調装置３０を採用した光学処理装置６０について説明する。

光学処理装置６０は波形成形を行うための装置である。光学処理装置６０は、レーザ６２、レンズ６４、ピンホール６６、コリメートレンズ６８、空間光変調装置３０、フーリエ変換レンズ７０、及び、出力面７２を有している。レーザ６２、レンズ６４、ピンホール６６、コリメートレンズ６８が入力光学系Ｉを構成している。なお、入力光学系Ｉは平行投光光学系Ｒとしても機能する。フーリエ変換レンズ７０及び出力面７２が出力光学系を構成している。空間光変調装置３０は、プリズム３２と反射型ＳＬＭ５とを有している。反射型ＳＬＭ５は、例えば、図７を参照して説明したＰＡＬ−ＳＬＭであり、やはり図７を参照して説明した位相変調モジュール６に内蔵されている。但し、図１６では、反射型ＳＬＭ５のみを図示し、位相変調モジュール６の図示を省略している。

レーザ６２、レンズ６４、ピンホール６６、コリメートレンズ６８、フーリエ変換レンズ７０、及び、出力面７２は、プリズム３２とともに仮想基準直線９上に配置されている。反射型ＳＬＭ５は、仮想基準直線９から垂直方向にずれた位置に配置されている。

レーザ６２は、所定の波長の直線偏光光を読み出し光として出射する。読み出し光の主光線は仮想基準直線９上を伝搬する。レンズ６４、ピンホール６６、及び、コリメートレンズ６８は読み出し光を所定のビーム径の平行光に変換する。平行光は仮想基準直線９に沿って伝搬しプリズム３２の入力側反射面Ｍ１に入射する。入力側反射面Ｍ１は、入射した平行光を反射型ＳＬＭ５に向けて反射する。反射型ＳＬＭ５には、読み出し光が収束角α（＝０）、ビーム径ｃで入射する。反射型ＳＬＭ５は、位相変調モジュール６（図７）に内蔵されており、図示しない制御部からＬＣＤ５３０（図７）に入力される信号によって、入射した読み出し光に対し所望の位相変調を行う。反射型ＳＬＭ５は、位相変調した光をプリズム３２に向けて反射する。出力側反射面Ｍ２で反射された位相変調光の主光線は仮想基準直線９に沿って伝搬する。フーリエ変換レンズ７０は位相変調光をフーリエ変換し、波形成形された所望の波形パターンを出力面７２に形成する。

空間光変調装置３０では、プリズム３２及び反射型ＳＬＭ５は、収束角度αと所望の最大回折次数ｎとに対し、式（１）〜（８）あるいは式（１１）〜（１６）、及び、（９）、（１０）を満足するように、配置されている。このため、入力光学系Iから出力された入力光の全てがプリズム３２の入力側反射面Ｍ１に入射し、入力側反射面Ｍ１で反射した光の全てが反射型ＳＬＭ５に入射し、反射型ＳＬＭ５で変調された光のうち必要な成分（１〜ｎ次回折光）の全てがプリズム３２の出力側反射面Ｍ２で反射し、フーリエ変換レンズ７０にてフーリエ変換される。したがって、光の利用効率を高めることができ、有効開口率の高い反射型ＳＬＭ５の利点を活かすことができる。

光学処理装置６０では、図１３を参照して説明した第１の実施の形態における光学処理装置８０と同様、入力光学系Ｉと出力光学系Ｏとが仮想基準直線９上に配置されており、入力光の光軸と出力光の光軸とが両方とも仮想基準直線９上に位置する。反射型ＳＬＭ５が仮想基準直線９から垂直方向にずれた位置にある。レーザ６２、レンズ６４、ピンホール６６、コリメートレンズ６８、フーリエ変換レンズ７０、出力面７２が、全て、仮想基準直線９に対し、仮想基準直線９がこれらを直交して貫通する向きに配置されている。このため、光学処理装置８０と同様、光学系の設計、組立、調整が容易で、また、光学系全体をコンパクトにすることができる。しかも、空間光変調装置３０がプリズム３２を採用しているため、全体の部品点数が少なくなり、構成がより単純になっている。

次に、図１７を参照しながら、空間光変調装置３０を採用した別の光学処理装置１００について説明する。

光学処理装置１００は、第１の実施の形態の空間光変調装置１の代わりに空間光変調装置３０を採用した点を除き、図１３を参照して説明した第１の実施の形態の光学処理装置８０と略同一である。すなわち、光源８１、ピンホール８３、コリメートレンズ８２、入力面８４、及び、フーリエ変換レンズ８６が入力光学系Ｉを構成する。このうち、光源８１、ピンホール８３、コリメートレンズ８２が平行光投光光学系Ｒを構成する。フーリエ変換レンズ８８と出力面９０とが出力光学系Ｏを構成する。入力面８４とフーリエ変換レンズ８６との間の距離と、フーリエ変換レンズ８６と素子反射面５ｃとの間のプリズム３２を介した距離とは、フーリエ変換レンズ８６の焦点距離（長さｆ１）に等しく設定されている。素子反射面５ｃとフーリエ変換レンズ８８との間のプリズム３２を介した距離と、フーリエ変換レンズ８８と出力面９０との間の距離とは、フーリエ変換レンズ８８の焦点距離（長さｆ２）に等しく設定されている。

読み出し光（入力光ビーム）は、フーリエ変換レンズ８６でフーリエ変換され、プリズム３２で反射されて、収束角αかつビーム径ｃにて反射型ＳＬＭ５に入射する。かかる構成の光学処理装置１００は、入力面８４に表示される入力画像と反射型ＳＬＭ５に表示される参照画像との相関演算を行う。反射型ＳＬＭ５は、例えば、図７を参照して説明したＰＡＬ−ＳＬＭであり、やはり図７を参照して説明した位相変調モジュール６に内蔵されている。但し、図１７では、反射型ＳＬＭ５のみを図示し、位相変調モジュール６の図示を省略している。

空間光変調装置３０では、プリズム３２及び反射型ＳＬＭ５は、収束角度αと所望の最大回折次数ｎとに対し、式（１）〜（８）あるいは式（１１）〜（１６）、及び、（９）、（１０）を満足するように、配置されている。したがって、光学処理装置１００によれば、光学処理装置８０と同一の効果が得られ、しかも、空間光変調装置３０がプリズム３２を採用したことにより、全体の部品点数がより少なくなり構成がより単純化されている。

次に、図１８を参照しながら、２つの空間光変調装置３０を仮想基準直線９に沿ってカスケード状に２段接続した光学処理装置２００について説明する。

光学処理装置２００は、図１７を参照して説明した光学処理装置１００同様、フーリエ変換レンズ８６とフーリエ変換レンズ８８との間に、空間光変調装置３０（以下、第２の空間光変調装置３０−２という）を備えている。光学処理装置２００は、さらに、コリメートレンズ８２とフーリエ変換レンズ８６との間に、入力面８４の代わりに、もう一つの空間光変調装置３０（以下、第１の空間光変調装置３０−１という）を備えている。第１の空間光変調装置３０−１と第２の空間光変調装置３０−２とは、共に、図１５を参照して説明した空間光変調装置３０と同一の構成を備えている。すなわち、第１の空間光変調装置３０−１は、反射型ＳＬＭ５（以下、第１の反射型ＳＬＭ５−１という）とプリズム３２（以下、第１のプリズム３２−１という）とを備えている。反射型ＳＬＭ５−１は仮想基準直線９から仮想基準直線９に対して垂直な方向にずれている。プリズム３２−１の入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２とは仮想基準直線９上に配置されている。第２の空間光変調装置３０−２は、反射型ＳＬＭ５（以下、第２の反射型ＳＬＭ５−２という）とプリズム３２（以下、第２のプリズム３２−２という）とを備えている。反射型ＳＬＭ５−２は仮想基準直線９から仮想基準直線９に対して垂直な方向にずれており、プリズム３２−２の入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２とは仮想基準直線９上に配置されている。

光源８１、ピンホール８３、コリメートレンズ８２、及び、第１の空間光変調装置３０−１の反射型ＳＬＭ５−１の素子反射面５ｃが入力光学系Ｉを構成している。このうち、光源８１、ピンホール８３、及び、コリメートレンズ８２が平行投光光学系Ｒを構成している。フーリエ変換レンズ８８と出力面９０とが出力光学系Ｏを構成している。反射型ＳＬＭ５−１の素子反射面５ｃとフーリエ変換レンズ８６との間のプリズム３２−１を介した距離と、フーリエ変換レンズ８６と反射型ＳＬＭ５−２の素子反射面５ｃとの間のプリズム３２−２を介した距離とは、フーリエ変換レンズ８６の焦点距離（長さｆ１）に等しく設定されている。反射型ＳＬＭ５−２の素子反射面５ｃとフーリエ変換レンズ８８との間のプリズム３２−２を介した距離と、フーリエ変換レンズ８８と出力面９０との間の距離とは、フーリエ変換レンズ８８の焦点距離（長さｆ２）に等しく設定されている。反射型ＳＬＭ５−１，５−２は、共に、例えば、図７を参照して説明したＰＡＬ−ＳＬＭであり、それぞれ、やはり図７を参照して説明した位相変調モジュール６に内蔵されている。なお、図１８でも、明瞭化を図るため、反射型ＳＬＭ５−１，５−２のみを図示し、位相変調モジュール６の図示を省略している。反射型ＳＬＭ５−１は入力画像から作成したパターンを表示し、コリメートレンズ８２からの平行光を位相変調して入力画像を出力する。反射型ＳＬＭ５−２は参照画像に基づいて作成されたフィルタパターンを表示する。かかる構成の光学処理装置２００は、光学処理装置１００同様、入力画像と参照画像との相関演算を行う。

読み出し光は、コリメートレンズ８２でコリメートされ、プリズム３２−１で反射されて、ビーム径ｃ、収束角α（＝０）にて反射型ＳＬＭ５−１に入射する。プリズム３２−１及び反射型ＳＬＭ５−１は、収束角α（＝０）と所望の最大回折次数ｎとに対し、式（１）〜（８）あるいは式（１１）〜（１６）、及び、（９）、（１０）を満足するように、配置されている。

また、反射型ＳＬＭ５−１から出射した１〜ｎ次回折光は、フーリエ変換レンズ８６でフーリエ変換され、プリズム３２−２で反射されて、ビーム径ｃ、収束角αにて反射型ＳＬＭ５−２に入射する。プリズム３２−２及び反射型ＳＬＭ５−２は、収束角αと所望の最大回折次数ｎとに対し、式（１）〜（８）あるいは式（１１）〜（１６）、及び、（９）、（１０）を満足するように、配置されている。

したがって、光学処理装置２００は、光学処理装置１００と同一の効果を達成する他、第１の空間光変調装置３０−１にて任意の入力画像を容易に生成することができる。２個の空間光変調装置３０を多段で接続しても、コリメートレンズ８２，フーリエ変換レンズ８６，フーリエ変換レンズ８８に関係する光軸が全て一直線の仮想基準直線９上に延びているため、光学系の設計、組立、調整が容易である。

次に、図１９を参照しながら、空間光変調装置３０を採用した別の光学処理装置３００について説明する。

光学処理装置３００は、入力波面の歪みを補償して、均一な波面もしくは所望の位相分布を持つ波面を形成する波面補償光学系の一例である。光学処理装置３００は、光計測光学系やレーザー加工光学系、光マニュピレーションなどで用いられるビーム制御光学系などと組み合わされ、それらの収差を除去するために用いられる。

光学処理装置３００は、光源８１、ピンホール８３、コリメートレンズ８２、入力面３０２、レンズ３０４とレンズ３０６とからなるリレーレンズ系、空間光変調装置３０、レンズ３０８とレンズ３１０とからなるリレーレンズ系、ビームサンプラー３１２、波面センサ３１４、制御装置３１６、及び、出力面３１８を有している。空間光変調装置３０は、反射型ＳＬＭ５およびプリズム３２を有している。この例では、反射型ＳＬＭ５は、図７を参照して説明したＰＡＬ−ＳＬＭであり、やはり図７を参照して説明した位相変調モジュール６に内蔵されている。なお、図１９でも、明瞭化を図るため、位相変調モジュール６の内部の構成要素のうち反射型ＳＬＭ５のみ図示し他の構成要素の図示は省略している。

光源８１、ピンホール８３、コリメートレンズ８２、入力面３０２、レンズ３０４、及び、レンズ３０６は、入力光学系Ｉを構成している。このうち、光源８１、ピンホール８３、及び、コリメートレンズ８２は平行光投光学系Ｒを構成している。レンズ３０８、レンズ３１０、ビームサンプラー３１２、及び、出力面３１８は、出力光学系Ｏを構成している。光源８１、ピンホール８３、コリメートレンズ８２、入力面３０２、レンズ３０４、レンズ３０６、プリズム３２、レンズ３０８、３１０、ビームサンプラー３１２、及び、出力面３１８は、仮想基準直線９上に配置されている。なお、ビームサンプラー３１２は、仮想基準直線９に対して斜め４５度の向きに配置されたハーフミラーからなる。反射型ＳＬＭ５及び制御装置３１６は、仮想基準直線９から仮想基準直線９に対して垂直な方向にずれた位置に設けられている。入力面３０２、出力面３１８、反射型ＳＬＭ５、及び、波面センサ３１４は、レンズ３０４，３０６，３０８，３１０によって結像関係に保たれている。なお、この例では、レンズ３０４とレンズ３０６とからなるリレーレンズ系、及び、レンズ３０８とレンズ３１０とからなるリレーレンズ系は、像をそのままの大きさで伝達する。

光源８１はレーザであって所定の波長の直線偏光光（読み出し光）を出射し、ピンホール８３及びコリメートレンズ８２は、読み出し光を所定のビーム径の略平行光に変換する。この略平行光が、図示しない、計測対象物体、大気など、波面を歪ませる要因となる光学媒質を経て、入力面３０２に入射する。入力面３０２に入射した光ビームは、光学媒質による歪みを有している。この光ビームは、レンズ３０４とレンズ３０６とを透過して、プリズム３２によって反射されて、反射型ＳＬＭ５に結像する。反射型ＳＬＭ５で位相変調され反射された光は、プリズム３２にて反射され、レンズ３０８、レンズ３１０を透過して出力面３１８上に結像する。ここで、レンズ３１０を透過した光の一部は、レンズ３１０の後方に配置されたビームサンプラー３１２によってサンプルされ、波面センサ３１４に入射する。波面センサ３１４は、入射したビーム波面の歪みを計測し、制御装置３１６を介して、位相変調モジュール６内のＬＣＤ５３０（図７）にその歪みを補正する信号をフィードバックし、波面補償を行う。出力面３１８の後には、図示しない集光光学系が配置されており、センサもしくは加工対象物、もしくはマニュピレーション対象物などに光を照射する。

空間光変調装置３０では、プリズム３２及び反射型ＳＬＭ５は、式（１）〜（８）あるいは式（１１）〜（１６）、及び、式（９）、（１０）を満足するように、配置されている。ここで、これらの式中、αは反射型ＳＬＭ５で補償可能な最大歪み量より大きな値に設定されている。また、βは許容残差より大きな値に設定されている。

したがって、入力光学系Ｉから出力された入力光のうちＳＬＭ５で補償可能な成分の全てがプリズム３２の入力側反射面Ｍ１に入射し、入力側反射面Ｍ１で反射した光の全てが反射型ＳＬＭ５に入射して反射型ＳＬＭ５で変調（補償）され、反射型ＳＬＭ５で変調された光のうち許容できる成分の全てがプリズム３２の出力側反射面Ｍ２で反射し出力光学系Ｏに導かれる。したがって、光の利用効率を高めることができ、有効開口率の高い反射型ＳＬＭ５の利点を活かすことができる。

また、ビームサンプラー３１２にて光路を垂直に折り曲げることができるため、光学系の設計が簡単になる。さらに、光路が斜めではなく、仮想基準直線９に対して平行あるいは垂直な方向に伸びているため、一般に直方体である位相変調モジュール６の筐体や波面センサ３１４の筐体との整合性が取りやすく、光学処理装置３００全体をコンパクト化することが容易である。しかも、プリズム３２を利用しているため、全体の部品点数が少なくなり構成がよりコンパクト化できる。

また、入力面３０２から出力面３１８までの光路が仮想基準直線９上に配置されており、この光路上に空間光変調装置３０が挿入されている。このため、既述の光学処理装置６０，１００，２００と同様に光学調整が容易となる。なお、光学調整を行う際には、空間光変調装置３０以外の光学部品を光学調整した後、空間光変調装置３０を挿入し調整すればよい。

なお、光学処理装置３００は、空間光変調装置３０を備え波面補償を実現するのであれば、図１９を参照して説明した構成でなくてもよい。例えば、光源８１としては、レーザーでもよいが、空間コヒーレンスが高く点光源とみなせれば、レーザーでなくてもよい。また、ビームサンプラー３１２は、レンズ３１０の後方に配置しなくても良い。ビームサンプラー３１２は、出力側反射面Ｍ２の後側で、かつ、出力面３１８の前側の任意の位置に配置することができる。また、反射型ＳＬＭ５と波面センサ３１４との間に、レンズ３０８とレンズ３１０とからなるリレーレンズ系の代わりに、像の拡大機能を有する拡大リレーレンズ系や、像の縮小機能を有する縮小リレーレンズ系、波長毎に光を分離する機能を有するダイクロイックミラー等、任意の機能を有する機能光学系を挿入しても良い。また、反射型ＳＬＭ５と波面センサ３１４とは、結像関係に無くても良い。

次に、第３の実施の形態にかかる空間光変調装置４０について、図２０を参照しながら説明する。

空間光変調装置４０は、プリズム３２の代わりにプリズム４２を採用した点を除き、第２の実施の形態にかかる空間光変調装置３０と同一である。したがって、空間光変調装置４０は、反射型ＳＬＭ５とプリズム４２とを備えている。なお、図２０では、第２の実施の形態にかかる空間光変調装置３０と同様の機能、構成を有する部材には同一の番号を付している。また、明瞭化を図るため、反射型ＳＬＭ５のうちミラー層５ｂのみを図示し変調部５ａ及びアドレス部５ｄの図示を省略している。反射型ＳＬＭ５は、例えば、図７を参照して説明したＰＡＬ−ＳＬＭであり、位相変調モジュール６（図７）に内蔵されていてもよい。

プリズム４２は、断面が台形状の４角柱である。より詳しくは、プリズム４２は、プリズム３２の三角形断面の頂点部分を切り落として形成した台形断面を持つ。４角柱を構成する４つの面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４（外表面）のうち台形断面の斜辺に対応する２つの斜面Ｓ１，Ｓ２に反射率を高めるための処理が施されている。このため、Ｓ１、Ｓ２は入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２として機能する。プリズム４２は、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２とが仮想基準直線９上に位置し、台形断面の下底及び上底に対応する残りの２つの面（底面Ｓ３，上面Ｓ４）が仮想基準直線９を挟むように、配置されている。

入力側反射面Ｍ１は、仮想基準直線９に沿って入射する入力光を、反射型ＳＬＭ５へ反射する。反射型ＳＬＭ５は、入力側反射面Ｍ１で反射した入力光を変調して反射する。出力側反射面Ｍ２は、反射型ＳＬＭ５からの光を反射して、仮想基準直線９に沿って出力する。

本実施の形態でも、第２の実施の形態同様、読み出し光（入力光ビーム）は、図示しない入力光学系から、仮想基準直線９に沿って、０からαの範囲の収束角度にて入射してくるとする。また、読み出し光（入力光ビーム）の反射型ＳＬＭ５に入射する際のビーム径は、素子反射面５ｃの長さｃに等しいとする。反射型ＳＬＭ５で変調され素子反射面５ｃにて反射された読み出し光が反射型ＳＬＭ５から出射する。この読み出し光のうち、所望の成分（すなわち、空間光変調装置４０から出力させたい所望の成分）が、０からβの範囲の発散角で、出力光ビームとして出射するとする。ここで、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２と素子反射面５ｃとの配置関係は、入力側反射面Ｍ１の端点Ａ２と出力側反射面Ｍ２の端点Ｂ１とが離間している点を除き、第２の実施の形態のプリズム３２と同一である。すなわち、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２と素子反射面５ｃとは、収束角度値αと所望の値βとに対し、式（１）〜（８）、もしくは、式（１１）〜（１６）の関係を満足している。例えば、１〜ｎ次回折光を出力したい場合には、収束角度値αと所望の回折次数ｎとに対して、式（１）〜（８）、もしくは、式（１１）〜（１６）、及び、式（９）、（１０）の関係を満足している。

したがって、本実施の形態の空間光変調装置４０は、第２の実施の形態の空間光変調装置３０や第１の実施の形態の空間光変調装置１と同様の効果を奏する。したがって、図１６−１９を参照して説明した光学処理装置６０，１００，２００，３００において、空間光変調装置３０の代わりに空間光変調装置４０を設けてもよい。また、図１３を参照して説明した光学処理装置８０において、空間光変調装置１の代わりに空間光変調装置４０を設けてもよい。

なお、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２と素子反射面５ｃとが式（１１）〜（１６）の関係を満足している場合には、素子反射面５ｃとプリズム４２の面Ｓ３、Ｓ４とは、仮想基準直線９に平行に配置される。この場合には、空間光変調装置４０は、上述した入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２とを介した斜め読み出しの他、垂直読み出しをも行うことができる。すなわち、矢印Ｖに示すように、光を、プリズム４２の底面Ｓ３に対して垂直に入射させる。すると、光はプリズム４２内を透過し上面Ｓ４から垂直に出射し反射型ＳＬＭ５に垂直に入射する。反射型ＳＬＭ５で変調され反射された光はプリズム４２の上面Ｓ４に再び垂直に入射しプリズム４２内を再び透過し底面Ｓ３から垂直に出射する。このとき、入射光及び出射光はプリズム４２の底面Ｓ３及び上面Ｓ４に対して垂直に進むため、プリズム４２の底面Ｓ３及び上面Ｓ４にて反射されることなく効率よくプリズム４２を透過する。

次に、第４の実施の形態にかかる空間光変調装置５０、及び、空間光変調装置５０に使用されるカップリングプリズム５２について、図２１を参照しながら説明する。

空間光変調装置５０は、プリズム３２の代わりにカップリングプリズム５２を採用した点、及び、カップリングプリズム５２を反射型ＳＬＭ５に接合した点を除き、図１５を参照して説明した第２の実施の形態にかかる空間光変調装置３０と同一である。したがって、空間光変調装置５０は、反射型ＳＬＭ５と反射型ＳＬＭ５に接合されたカップリングプリズム５２とを備えている。図２１においては、第２の実施の形態にかかる空間光変調装置３０と同様の機能、構成を有する部材には同一の番号を付している。反射型ＳＬＭ５は、例えば、図７を参照して説明したＰＡＬ−ＳＬＭであり、位相変調モジュール６（図７）に内蔵されていてもよい。

カップリングプリズム５２は５角柱形状のプリズムである。カップリングプリズム５２は、５つの面５４、５５，５６，５７，５８を備えている。面５４は面５８に対向している。面５４と面５８とは互いに平行に延びている。面５６は面５５と面５７とに対向している。面５４と面５６とのなす角度（内角）は９０゜である。面５６と面５８とのなす角度（内角）も９０゜である。面５４と面５５とのなす角度（内角）は９０゜−φ１である。面５７と面５８とのなす角度（内角）は９０゜−φ２である。面５５と面５７とのなす角度（内角）は１８０゜＋（φ１＋φ２）である。ここで、φ１及びφ２は、０°＜（９０゜−φ１）＜９０°、０°＜（９０゜−φ２）＜９０°、及び、１８０°＜｛１８０゜＋（φ１＋φ２）｝＜３６０°を満足している。面５６は反射型ＳＬＭ５の変調部５ａの外側表面と接合されている。例えば、反射型ＳＬＭ５が図７を参照して説明したＰＡＬ−ＳＬＭである場合には、面５６は反射型ＳＬＭ５の透明基板５０２に接合されている。素子反射面５ｃは、面５６に対して平行に延びている。

カップリングプリズム５２は、仮想基準直線９に対して図２１に示す向きに配置されている。すなわち、仮想基準直線９が面５４と面５８とを貫通している。面５４と面５８とは仮想基準直線９に対して垂直に伸びている。面５６は仮想基準直線９から仮想基準直線９に対して垂直な方向にずれた位置において仮想基準直線９に対して平行に延びている。したがって、素子反射面５ｃも、仮想基準直線９から仮想基準直線９に対して垂直な方向にずれた位置において仮想基準直線９に対して平行に延びている。面５５は仮想基準直線９に対して斜めに延びている。面５７も仮想基準直線９に対して斜めに延びている。すなわち、面５５は仮想基準直線９に対して角度φ１をなす方向に延びている。面５７は仮想基準直線９に対して角度φ２をなす方向に延びている。なお、φ１は、図２１において、仮想基準直線９から反時計方向に正の値を採る。また、φ２は、図２１において、仮想基準直線９から時計方向に正の値を採る。φ１、φ２は、０°＜φ１＜９０°、０°＜φ２＜９０°を満足している。なお、本実施の形態では、角度φ１と角度φ２とは、カップリングプリズム５２を構成する材料の屈折率ｍに対して全反射の条件を満たす値となっている。

面５４は入力側透過面Ｐ１として機能し、面５６は接合透過面Ｐ２として機能し、面５８は出力側透過面Ｐ３として機能する。面５５の内側表面は入力側反射面Ｍ１として機能し、面５７の内側表面は出力側反射面Ｍ２として機能する。

すなわち、仮想基準直線９に沿って伝搬してきた読み出し光は、入力側透過面Ｐ１を透過してカップリングプリズム５２内部に導かれる。読み出し光は、カップリングプリズム５２内部を伝搬して入力側反射面Ｍ１にて全反射され、カップリングプリズム５２内部をさらに伝搬して、接合透過面Ｐ２を透過して反射型ＳＬＭ５に到達する。変調部５ａで変調され素子反射面５ｃにて反射された読み出し光は接合透過面Ｐ２を再び透過して、カップリングプリズム５２内部へ導かれる。読み出し光は、カップリングプリズム５２内部を伝搬して出力側反射面Ｍ２にて全反射され、カップリングプリズム５２内部をさらに伝搬して、出力側透過面Ｐ３を透過してカップリングプリズム５２から出力され、仮想基準直線９に沿って伝搬する。

本実施の形態でも、図１５を参照して説明した第２の実施の形態のプリズム３２と同様、入力側反射面Ｍ１の端点Ａ２と出力側反射面Ｍ２の端点Ｂ１とが一致している。すなわち、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２と素子反射面５ｃとの配置関係は、入力側反射面Ｍ１の端点Ａ２と出力側反射面Ｍ２の端点Ｂ１とが一致している点を除き、図８を参照して説明した第１の実施の形態における入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２と素子反射面５ｃとの配置関係と同一である。

すなわち、図２１に示すように、入力主光線１１が入力側反射面Ｍ１に入射する点を点Ａ、入力側反射面Ｍ１で反射した光の主光線が反射型ＳＬＭ５に入射する点を点Ｃ、反射型ＳＬＭ５で変調され素子反射面５ｃにて反射した光の主光線が出力側反射面Ｍ２に入射する点を点Ｂとする。点Ａと点Ｂとを結ぶ直線Ａ−Ｂは仮想基準直線９上に位置している。入力側反射面Ｍ１と仮想基準直線９との成す角度はφ１（０＜φ１＜９０°）、出力側反射面Ｍ２と仮想基準直線９との成す角度はφ２（０＜φ２＜９０°）である。素子反射面５ｃは仮想基準直線９に対して角度φ３をなす方向に延びている。なお、φ３は、図２１において、仮想基準直線９から反時計方向に正の値を採る。この例では、φ３は、φ３＝０を満足している。また、入力側反射面Ｍ１の両端の点Ａ１、点Ａ２に対して、線分Ａ１−Ａ２の長さをａ、線分Ａ−Ａ１の長さをａ１、線分Ａ―Ａ２の長さをａ２とする。出力側反射面Ｍ２の両端の点Ｂ１、点Ｂ２に対して、線分Ｂ１―Ｂ２の長さをｂ、線分Ｂ―Ｂ１の長さをｂ１、線分Ｂ―Ｂ２の長さをｂ２とする。素子反射面５ｃの２つの端点Ｃ１、Ｃ２に対して、線分Ｃ１―Ｃ２の長さ（すなわち、反射型ＳＬＭ５の有効口径）をｃ、線分Ｃ−Ｃ１の長さをｃ１、線分Ｃ−Ｃ２の長さをｃ２とする。さらに、点Ｃから線分Ａ−Ｂへの垂線の足を点Ｄ、垂線Ｃ―Ｄの長さをｈ、線分Ａ−Ｂの長さをＬとする。

本実施の形態でも、第２、第３の実施の形態同様、読み出し光（入力光ビーム）は、図示しない入力光学系から、仮想基準直線９に沿って、０からαの範囲の収束角度にて入射してくるとする。また、読み出し光（入力光ビーム）の反射型ＳＬＭ５に入射する際のビーム径は、素子反射面５ｃの長さｃに等しいとする。また、反射型ＳＬＭ５で変調され素子反射面５ｃにて反射された読み出し光が反射型ＳＬＭ５から出射する。この読み出し光のうち、所望の成分（すなわち、空間光変調装置５０から出力させたい所望の成分）が、０度から角度βの範囲の発散角で、出力光ビームとして出射するとする。

本実施の形態においては、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２と素子反射面５ｃとは、収束角度値αと所望の発散角度値βとに対し、式（１１）〜（１６）においてαをα／ｍに置き換えβをβ／ｍに置き換えλをλ／ｍに置き換えた式（１１´）〜（１６´）（ただし、ｍは、カップリングプリズム５２の屈折率である）を満足している。
即ち、

を満足している。
例えば、所望の成分が１〜ｎ次回折光である場合には、入力側反射面Ｍ１、出力側反射面Ｍ２、素子反射面５ｃは収束角度値αと所望の回折次数ｎとに対して、式（１１´）〜（１６´）、及び、式（９´）、（１０´）とを満足している。ここで式（９´）、（１０´）は、

となる。

したがって、本実施の形態の空間光変調装置５０でも、入力主光線１１と出力主光線１７とが共に仮想基準直線９上に位置し、プリズム５２への入射光の全てが入力側反射面Ｍ１によって反射され、入力側反射面Ｍ１で反射された入射光の全てが読みだし光として反射型ＳＬＭ５に入射し、さらに反射型ＳＬＭ５で変調された読みだし光の所望の成分全てがプリズム５２の出力側反射面Ｍ２によって反射される。したがって、空間光変調装置５０によれば、第２の実施の形態の空間光変調装置３０や第１の実施の形態の空間光変調装置１と同様の効果が得られる。したがって、図１６−１９を参照して説明した光学処理装置６０，１００，２００，３００において、空間光変調装置３０の代わりに空間光変調装置５０を設けてもよい。また、図１３を参照して説明した光学処理装置８０において、空間光変調装置１の代わりに空間光変調装置５０を設けてもよい。

さらに、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２とは全反射を行う所定の角度に備えられているので、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２には反射率を向上させるための処理を施す必要がない。入力側透過面Ｐ１及び出力側透過面Ｐ３は仮想基準直線９と直交しているので、カップリングプリズム５２内に迷光が発生しない。

また、空間光変調装置５０によれば、光路長の調整を行う際には、仮想基準直線９に垂直な方向にカップリングプリズム５２と反射型ＳＬＭ５とを一体的に移動させればよく、光学調整が極めて容易である。このとき、入力側透過面Ｐ１、入力側反射面Ｍ１、出力側反射面Ｍ２、出力側透過面Ｐ３は、移動後にも必要な成分が全て透過または反射するように予め大きく作っておけば良い。

なお、入力側反射面Ｍ１と仮想基準直線９とのなす角度φ１、及び、出力側反射面Ｍ２と仮想基準直線９とのなす角度φ２は、全反射の条件を満たす値となっていなくても良い。その場合には、入力側反射面Ｍ１（面５５の内側表面）と出力側反射面Ｍ２（面５７の内側表面）とに対し、反射率を高めるための処理を施せば良い。

なお、上記説明では、面５６及び素子反射面５ｃは仮想基準直線９に対して平行に延びていた。すなわち、φ３＝０であった。しかしながら、面５６及び素子反射面５ｃは仮想基準直線９に対して斜めに延びていても良い。すなわち、φ３はゼロ（０）でなくても良い。この場合には、入力側反射面Ｍ１と出力側反射面Ｍ２と素子反射面５ｃとは、収束角度値αと所望の値βとに対し、式（１）〜（８）においてαをα／ｍに置き換えβをβ／ｍに置き換えλをλ／ｍに置き換えた式を満足していれば良い。
即ち、以下の式（１´）〜（８´）を満足していれば良い。

を満足していればよい。

例えば、所望の成分が１〜ｎ次回折光である場合には、入力側反射面Ｍ１、出力側反射面Ｍ２、素子反射面５ｃは、収束角度値値αと所望の回折次数ｎとに対して、式（１´）〜（８´）、及び、式（９´）、（１０´）を満足していれば良い。

以上、添付図面を参照しながら本発明による空間光変調装置、光学処理装置、カップリングプリズム、及び、カップリングプリズムの使用方法の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変形や改良が可能である。

例えば、上記各空間光変調装置１、３０、４０、５０のいずれをも、上記各光学処理装置６０、８０、１００，２００，３００に適用することができる。各空間光変調装置１、３０、４０、５０を任意の入力光学系及び任意の出力光学系と組み合わせれば、任意の情報を含んだ任意の光に対し任意の処理を行うことができる。

上記実施の形態の反射型ＳＬＭ５は、ＰＡＬ−ＳＬＭでなくても良い。反射型ＳＬＭ５は、任意の反射型空間光変調素子で構成することができる。具体的には、反射型ＳＬＭ５は、液晶型でも良く、非液晶型でも良い。反射型ＳＬＭ５は、光アドレス型でもよく、電気アドレス型でも良い。反射型ＳＬＭ５は、読み出し光の位相を変調する位相変調型でも良く、読み出し光の強度を変調する強度変調型でも良く、あるいは、読み出し光の位相と強度の両方を変調する複素振幅変調型であっても良い。

例えば、反射型ＳＬＭ５がＬＣｏＳ（Lｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）型である場合には、画素と画素の間に不動作領域（ギャップ）がある。このため、この構造に由来する不要な回折光が発生する。かかる場合には、数式（９）を満たすδの値として、式（１０）を満足する値を設定する代わりに、不要な回折光の最大発散角の値を設定すればよい。そして、δとαとに対し、パラメータφ１、φ２、ｃ、ｃ１，ｈ、ａ１，ａ２、ｂ１，ｂ２，Ｌを、数式（１）〜（８）もしくは数式（１１）〜（１６）と数式（９）（または、数式（１’）〜（８’）もしくは、数式（１１’）〜（１６’）と数式（９’））とを満足し、かつ、数式（４）〜（７）もしくは数式（１４）〜（１６）（または、数式（４’）〜（７’）もしくは数式（１４’）〜（１６’））において等号が成立するように選択すれば、入力光を有効に反射型ＳＬＭ５に照射し必要な回折光を有効に空間光変調装置１、３０，４０，５０から出力させつつ、不要な回折光を空間光変調装置１、３０，４０，５０から出力させないようにすることができる。

例えば、反射型ＳＬＭ５が、非線形光学結晶を用いた反射型空間光変調素子からなる場合には、変調部５ａは非線形光学結晶を備える。

また、反射型ＳＬＭ５が可変鏡からなる場合には、ミラー層５ｂは、素子反射面５ｃの形状を変化させることにより、読み出し光を反射しつつこれを変調する。このように、可変鏡では、ミラー層５ｂ自体が変調部５ａを兼ねる。このため、反射型ＳＬＭ５が可変鏡からなる場合には、図２２に示すように、反射型ＳＬＭ５の素子反射面５ｃが外部に露出し、入力側反射面Ｍ１及び出力側反射面Ｍ２に対向する。

本発明による空間光変調装置、光学処理装置、及び、カップリングプリズムの使用方法は、波面補償システム、パターン形成システム、ホログラフィシステム、３Ｄ表示ディスプレイシステム、光情報処理システム等、様々な光処理システムに広く利用できる。

Claims (4)

1. 仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向にずれた位置に設けられた反射型空間光変調素子と、
   前記仮想基準直線上に設けられ、前記仮想基準直線に沿って入射してくる入射光を反射して前記反射型空間光変調素子に読みだし光として斜めに入射させるための入力側反射面と、
   前記仮想基準直線上に設けられ、前記反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を反射して出射光として前記仮想基準直線に沿って出力するための出力側反射面と、
   を備え、
   前記反射型空間光変調素子が、前記入力側反射面からの読みだし光を反射するための素子反射面を備え、
   前記入力側反射面と前記出力側反射面とが、前記仮想基準直線に沿って距離Ｌだけ離間し、前記素子反射面が前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向に距離ｈだけ離間し、前記入力側反射面、前記出力側反射面、及び、前記素子反射面とが、前記仮想基準直線が延びる方向に対して、それぞれ、角度φ１、φ２、φ３だけ傾いており、
   前記素子反射面が大きさｃを備え、
   前記入力側反射面が前記仮想基準直線に対して前記反射型空間光変調素子から遠い側の大きさａ１と、前記反射型空間光変調素子に近い側の大きさａ２とを有し、
   前記出力側反射面が前記仮想基準直線に対して前記反射型空間光変調素子から近い側の大きさｂ１と、前記反射型空間光変調素子に遠い側の大きさｂ２とを有し、
   前記素子反射面が前記入力側反射面で反射された前記入射光の光軸に対して前記入力側反射面に近い側の大きさｃ１を有し、
   前記反射型空間光変調素子が、０〜αの範囲の収束角で入射する読みだし光を変調して、その所定の成分を０〜βの範囲の発散角で出射し、
   前記反射型空間光変調素子へ入射する読み出し光が収束光の場合にはαは正の値をとり発散光の場合にはαは負の値をとり、前記反射型空間光変調素子から出射する読み出し光の前記所定の成分が発散光の場合にはβは正の値をとり収束光の場合にはβは負の値をとり、
   前記距離Ｌ、ｈ、及び、前記角度φ１、φ２、φ３とが以下の式（１）及び（２）を満足し、
   前記大きさｃ、ｃ１、ａ１、ａ２、ｂ１、及び、ｂ２が、α及びβに対して、以下の式（３）〜（８）を満足し、
   前記所定の成分とは１以上ｎ（ｎは０より大きい自然数）以下の回折次数の回折成分であり、α及びβが、前記入射光の波長λ、及び、前記反射型空間光変調素子に表示可能な最小の格子パターンの格子定数ｄに対して、以下の式（９）及び（１０）を満足することを特徴とする空間光変調装置。
   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   
2. 仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向にずれた位置に設けられた反射型空間光変調素子と、
   前記仮想基準直線上に設けられ、前記仮想基準直線に沿って入射してくる入射光を反射して前記反射型空間光変調素子に読みだし光として斜めに入射させるための入力側反射面と、
   前記仮想基準直線上に設けられ、前記反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を反射して出射光として前記仮想基準直線に沿って出力するための出力側反射面と、
   を備え、
   前記反射型空間光変調素子が、前記入力側反射面からの読みだし光を反射するための素子反射面を備え、
   前記入力側反射面と前記出力側反射面とが、前記仮想基準直線に沿って距離Ｌだけ離間し、前記素子反射面が前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向に距離ｈだけ離間し、前記入力側反射面、前記出力側反射面、及び、前記素子反射面とが、前記仮想基準直線が延びる方向に対して、それぞれ、角度φ１、φ２、φ３だけ傾いており、
   単一のカップリングプリズムが、入力側透過面と、第１の反射面と、接合透過面と、第２の反射面と、出力側透過面と、を備え、
   前記入力側透過面は、前記仮想基準直線上に設けられ、前記仮想基準直線に沿って入射してくる入射光を透過させて前記入射光を前記仮想基準直線に沿って内部に導き、
   前記第１の反射面は、前記仮想基準直線上に設けられ、前記入力側透過面から前記仮想基準直線に沿って内部を伝搬してくる入射光を反射する入力側反射面であり、
   前記接合透過面は、前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向にずれた位置に設けられ、前記反射型空間光変調素子に接合され、前記第１の反射面で反射され内部を伝搬してくる入射光を透過して前記反射型空間光変調素子に対し読みだし光として斜めに入射させ、かつ、前記反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を透過して内部を伝搬させ、
   前記第２の反射面は、前記仮想基準直線上に設けられ、前記接合透過面から内部を伝搬してくる読みだし光を反射して出射光として前記仮想基準直線に沿って内部を伝搬させる出力側反射面であり、
   前記出力側透過面は、前記仮想基準直線上に設けられ、前記第２の反射面から前記仮想基準直線に沿って内部を伝搬してくる出射光を前記仮想基準直線に沿って外部へ出力し、
   前記カップリングプリズムの屈折率はｍであり、
   前記素子反射面が大きさｃを備え、
   前記入力側反射面が前記仮想基準直線に対して前記反射型空間光変調素子から遠い側の大きさａ１と、前記反射型空間光変調素子に近い側の大きさａ２とを有し、
   前記出力側反射面が前記仮想基準直線に対して前記反射型空間光変調素子から近い側の大きさｂ１と、前記反射型空間光変調素子に遠い側の大きさｂ２とを有し、
   前記素子反射面が前記入力側反射面で反射された前記入射光の光軸に対して前記入力側反射面に近い側の大きさｃ１を有し、
   前記反射型空間光変調素子が、０〜αの範囲の収束角で入射する読みだし光を変調して、その所定の成分を０〜βの範囲の発散角で出射し、
   前記反射型空間光変調素子へ入射する読み出し光が収束光の場合にはαは正の値をとり発散光の場合にはαは負の値をとり、前記反射型空間光変調素子から出射する読み出し光の前記所定の成分が発散光の場合にはβは正の値をとり収束光の場合にはβは負の値をとり、
   前記距離Ｌ、ｈ、及び、前記角度φ１、φ２、φ３とが以下の式（１）及び（２）を満足し、
   前記大きさｃ、ｃ１、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２とが、α及びβに対し、以下の式（３´）〜（８´）を満足し、
   前記所定の成分とは１以上ｎ（ｎは０より大きい自然数）以下の回折次数の回折成分であり、α及びβが、前記入射光の波長λ、及び、前記反射型空間光変調素子に表示可能な最小の格子パターンの格子定数ｄに対して、以下の式（９´）及び（１０´）を満足することを特徴とする空間光変調装置。
   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   
3. 空間光変調装置と、
   前記仮想基準直線上に設けられ、入射光を前記仮想基準直線に沿って前記空間光変調装置に入力させる入力光学系と、
   前記仮想基準直線上に設けられ、前記空間光変調装置から仮想基準直線に沿って出力された出射光を処理するための出力光学系とを備え、
   前記空間光変調装置は、
   前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向にずれた位置に設けられた反射型空間光変調素子と、
   前記仮想基準直線上に設けられ、前記仮想基準直線に沿って前記入力光学系から入射してくる入射光を反射して前記反射型空間光変調素子に読みだし光として斜めに入射させるための入力側反射面と、
   前記仮想基準直線上に設けられ、前記反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を反射して出射光として前記仮想基準直線に沿って出力するための出力側反射面と、
   を備え、
   前記反射型空間光変調素子が、前記入力側反射面からの読みだし光を反射するための素子反射面を備え、
   前記入力側反射面と前記出力側反射面とが、前記仮想基準直線に沿って距離Ｌだけ離間し、前記素子反射面が前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向に距離ｈだけ離間し、前記入力側反射面、前記出力側反射面、及び、前記素子反射面とが、前記仮想基準直線が延びる方向に対して、それぞれ、角度φ１、φ２、φ３だけ傾いており、
   前記距離Ｌ、ｈ、及び、前記角度φ１、φ２、φ３とが以下の式（１）及び（２）を満足し、
   前記入力光学系は、入力画像をフーリエ変換する第１のレンズを有し、
   前記反射型空間光変調素子は、参照画像に基づくフィルターパターンにて前記入力画像のフーリエ変換画像を位相変調し、
   前記出力光学系は、前記空間光変調装置からの出力光をフーリエ変換する第２のレンズを有し、前記入力画像と前記参照画像との相関を示す画像を出力し、
   前記入力画像を作成する入力画像作成手段をさらに備え、
   前記入力画像作成手段は、別の空間光変調装置からなり、
   前記別の空間光変調装置は、
   前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向にずれた位置に設けられた反射型空間光変調素子と、
   前記仮想基準直線上に設けられ、前記仮想基準直線に沿って入射してくる入射光を反射して前記反射型空間光変調素子に読みだし光として斜めに入射させるための入力側反射面と、
   前記仮想基準直線上に設けられ、前記反射型空間光変調素子で変調され斜めに反射された読みだし光を反射して出射光として前記仮想基準直線に沿って出力するための出力側反射面とを備え、
   前記反射型空間光変調素子が、前記入力側反射面からの読みだし光を反射するための素子反射面を備え、
   前記入力側反射面と前記出力側反射面とが、前記仮想基準直線に沿って距離Ｌだけ離間し、前記素子反射面が前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向に距離ｈだけ離間し、前記入力側反射面、前記出力側反射面、及び、前記素子反射面とが、前記仮想基準直線が延びる方向に対して、それぞれ、角度φ１、φ２、φ３だけ傾いており、前記距離Ｌ、ｈ、及び、前記角度φ１、φ２、φ３とが前記式（１）及び（２）を満足し、
   前記第１のレンズが、前記別の空間光変調装置から出力された出射光をフーリエ変換することを特徴とする光学処理装置。
   

   

   
4. 第１〜第５の側面をこの順に有する５角柱形状で、第１の側面と第２の側面とが互いに９０°をなして接続し、第２の側面と第３の側面とが互いに９０°をなして接続し、第３の側面と第４の側面とが互いに９０゜−φ２をなして接続し、第４の側面と第５の側面とが互いに１８０゜＋φ１＋φ２をなして接続し、第５の側面と第１の側面とが互いに９０゜−φ１をなして接続したカップリングプリズムを用意し、
   素子反射面を有する反射型空間光変調素子を、素子反射面が第２の側面に対し平行に延びるように、第２の側面に対し接合し、
   仮想基準直線が第１の側面及び第５の側面を貫通し、第５の側面と第４の側面とが、前記仮想基準直線に沿って距離Ｌだけ離間し、前記素子反射面が前記仮想基準直線から前記仮想基準直線に対して垂直な方向に距離ｈだけ離間し、第５の側面と第４の側面と素子反射面とが、前記仮想基準直線が延びる方向に対して、それぞれ、角度φ１、φ２、φ３だけ傾き、前記距離Ｌ、ｈ、及び、前記角度φ１、φ２、φ３とが以下の式（１’）及び（２’）を満足するように、カップリングプリズムを仮想基準直線に対し配置し、
   

   

   

   前記仮想基準直線に沿って第５の側面に向けて読み出し光を入射させ、
   前記カップリングプリズムの屈折率はｍであり、
   前記反射型空間光変調素子が、０〜αの範囲の収束角で入射する読みだし光を変調して、その所定の成分を０〜βの範囲の発散角で出射し、
   前記反射型空間光変調素子へ入射する読み出し光が収束光の場合にはαは正の値をとり発散光の場合にはαは負の値をとり、前記反射型空間光変調素子から出射する読み出し光の前記所定の成分が発散光の場合にはβは正の値をとり収束光の場合にはβは負の値をとり、
   前記所定の成分とは１以上ｎ（ｎは０より大きい自然数）以下の回折次数の回折成分であり、δはｎ次回折光の回折角度であり、α及びβが、前記入射光の波長λ、及び、前記反射型空間光変調素子に表示可能な最小の格子パターンの格子定数ｄに対して、以下の式（９´）及び（１０´）を満足することを特徴とする、カップリングプリズムの使用方法。
   

   

   

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